转子动力学——旋转机械的动力学特性共38页
第四章旋转机械的动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性机械系统动力学第四章旋转机械的动力学特性旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性第四章第四章转子动力学的任务和内容第四章临界转速critical speed第四章转子系统临界转速的概念中经过某一转速附近时，支撑系统经常会发生剧烈振动第四章旋转机械的动力学特性由于材料、工艺等因素使圆盘的质心偏离轴线，偏心距为e 。
当转子以等角速度ω自转时，偏心引起的离心惯性力将使轴弯曲，产生动挠度。
转子的临界转速第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性可见，这时质心的坐标为（0，0）。
质心C 与旋转中心O 1重合，圆盘和弯曲的轴都绕着质心C 旋转。
自动定心现象第四章旋转机械的动力学特性第四章转机械的动力学特性单转子的临界转速和振型多自由度转子有多个临界转速和相应的振型第四章支承刚度对临界转速的影响支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很不同的。
第四章学特回转效应对临界转速的影响回转效应是旋转物体惯性的表现，它增加轴此圆盘轴线方向不变，没有回转效应此圆盘轴线方向变化，回转效应增加轴的刚性第四章械的动力学特性高压转子中压转子低压转子发电机转子多跨转子轴系由高压转子、中压转子、低压转子和发电机转子组成。
全长30余米，共。
第四章力学特多转子轴系的临界转速和振型200MW 高压转子中压转子低压转子发电机转子轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用第四章旋转机械的动力学特性多转子轴系的固有频率和振型第四章200MW 汽轮发电机组轴系第四章第四章转子的不平衡响应对不平衡不敏感。
不敏感转子阻尼小阻尼大第四章转子的稳定性stability对称第四章旋转机械的动力学特性产生的稳定的周期性振动,叫自激振动。
第四章械的动力学特性自振系统的组成(1) 振动系统（2）非振荡能源（3）调节系统要外界能量供给，以补充由于不可避免的阻尼所造成能量耗第四章自激振动发生的两个条件：第四章点是平衡点，但该系统是在原点附近的不稳定性，当有微小扰动，稍稍偏离0点，便立即迫使状态最后振动稳定在红线圆圈上。
旋转机械动力学特性研究
旋转机械动力学特性研究旋转机械动力学特性研究引言：旋转机械是指在工业生产中，通过转动来完成工作任务的机械设备。
其动力学特性研究是为了深入了解旋转机械的运行过程，提高其性能和效率。
本文将就旋转机械的动力学特性研究进行探讨。
主体：1. 动力学分析旋转机械的动力学分析是研究旋转机械在运行过程中的受力、振动和变形等问题。
通过对旋转机械的结构进行有限元分析，可以获取其受力分布情况，找出潜在的弱点，进而提出改进建议。
同时，通过振动分析可以确定旋转机械的固有频率和共振现象，从而避免设备在共振状态下的运行，降低设备的损坏风险。
2. 动力学模型建立建立旋转机械的动力学模型是研究其运动学和动力学特性的重要手段。
通过建立旋转机械的数学模型，可以得到机械系统的运动方程和力学特性，为进一步的分析和仿真提供基础。
常用的建模方法包括拉格朗日方程、哈密尔顿原理等。
通过建模分析，可以优化旋转机械的结构和参数，提高其运行效果和稳定性。
3. 动力学特性优化在旋转机械的设计和制造过程中，优化其动力学特性是提高旋转机械性能的关键。
通过改变机械的结构和参数，可以减小其振动和噪声，提高其工作精度和稳定性。
例如，通过增加降噪装置、改变轴承结构和材料，可以降低旋转机械的噪声水平；通过优化机械的结构和减小动件质量，可以提高机械的动态响应速度。
4. 动力学特性测试与监测为了验证理论模型的准确性和机械系统的动力学特性，需要进行动力学测试与监测。
通过在旋转机械上安装传感器，可以实时监测其受力、振动和变形等情况。
同时，利用试验台和数据采集系统，可以获取旋转机械的实际工作状态和性能指标，进一步优化其设计和运行参数。
结论：旋转机械动力学特性研究在提高机械性能和效率方面起着重要的作用。
通过动力学分析、模型建立、特性优化和测试监测等手段，可以深入了解机械系统的受力、振动和变形特性，优化机械的设计和制造，从而提高其工作效果和稳定性。
未来，随着科技的不断进步，旋转机械动力学特性研究将进一步发展，并为工业生产提供更先进的旋转机械设备。
最新转子动力学基本理论精品课件
动平衡理论(lǐlùn)
刚性(ɡānɡ xìnɡ)转子的平衡原理 一、转子不平衡类型
(一)静不平衡：如果不平衡质量矩存在于质心所在 的径向平面上，且无任何力偶矩存在时称为静不平 衡。它可在通过质心的径向平面加重（或去重），
使转子获得平衡。
第二十九页，共86页。
❖ (二)动不平衡 ❖ 假设有一个具有两个平 ❖ 面的转子的重心位于同一转轴 ❖ 平面的两侧，且m1r1=m2r2， ❖ 整个转子的质心Mc仍恰好位于 ❖ 轴线上（图3-3），显然，此 ❖ 时转子是静平衡的。但当转子 ❖ 旋转时，二离心力大小相等、 ❖ 方向相反，组成一对力偶，此 ❖ 力偶矩将引起二端轴承产生周 ❖ 期性变化(biànhuà)的动反力，其数值为：
结论(jiélùn)2
< n = n
> n 》 n
第十四页，共86页。
结论(jiélùn)2
❖ 转轴的涡动频率与质量偏心引起的激振力频率 相同，即和转动频率相同；
❖
涡动振幅(zhènfú)的相位和激振力的相位差在
＜
n
❖❖❖时n ，》涡时动，n 向为，量9相0滞位~1后差8激0为。振18力0，向即量质0~心90位，与当原点>与
Q(t )与 (t )同为m次多项式
第四页，共86页。
对于
..
.
y a y b p(t) iq(t)
可分别求
..
.
y a y b p(t)
..
.
y a y b q(t)
若u(t)、v(t)为上述二方程的特解
则特解为y u(t) iv(t)
第五页，共86页。
有阻尼带质量(zhìliàng)偏心单圆盘转子 振动特性
旋转机械的动力学特性本章内容课件
自激振动
03
由旋转机械自身产生的激励引起的振动，如油膜振荡、汽流激
振等。
旋转机械的稳定性分析
稳定性判据
根据旋转机械的振动特性，判断其稳定性的指标，如幅值和频率 。
不稳定现象
旋转机械在不稳定状态下会出现诸如大幅度振荡、噪声等问题。
稳定性改善
针对不稳定现象采取相应措施，如调整刚度、优化结构设计等， 以提高旋转机械的稳定性。
基于动力学特性的设计原则， 选择合适的旋转机械类型和结
构
设计和制造过程中要考虑材料 、加工精度、润滑和防护等因
素
对旋转机械进行动力学分析， 预测其性能和可靠性
旋转机械的优化目标与策略
提高旋转机械的性能和 效率
延长旋转机械的使用寿 命和降低维护成本
01
02
03
优化旋转机械的结构设 计和制造工艺，降低制 造成本和提高质量
04
通过动力学优化，提高 旋转机械的稳定性和可 靠性
旋转机械的优化实例分析
针对特定应用场景的旋转机械进行优化设计，如 风力发电机组、工业泵和压缩机等
对旋转机械的关键部件进行优化设计，如转子、 轴承和密封件等
通过有限元分析、动力学仿真和其他数值方法对 旋转机械进行优化分析，提高其性能和质量
05
总结与展望
旋转机械的应用范围
01
02
03
电力工业
旋转发电机和电动机广泛 应用于电力工业中，将电 能转换为机械能或反之。
石油化工
旋转压缩机和离心机用于 气体压缩、分离和液化等 工艺过程。
航空航天
涡轮机和喷气发动机是航 空航天领域中的重要动力 装置。
旋转机械的基本组成
转子
旋转机械的核心部件，由转轴和安装在轴上 的转动件组成，负责实现旋转运动。
机械故障诊断技术6旋转机械故障诊断全解
但实际上 ，现场设备结构变动的情况还是很多的，最常遇到的是换瓦，
有时是更换转子，不可避免的是设备维修安装后未能准确复位等等，都会影
响到临界转速的改变。
多数情况下 ，这种临界转速的改变量不大，处在规定必须避开的转速区
域内，因而被忽略。
第四页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 6．1．2 转子 —轴承系统的稳定性
机组的稳定性能在很大程度上取决于滑动轴承的 刚度和阻尼 。当系统具
有正阻尼时，系统具有抑制作用，振动逐渐衰减。反之系统具有负阻
尼时，油膜涡动就会发展为油膜振荡 。 油膜涡动与油膜振荡都是 油膜承载压力波动 的反映， 表现为轴的振动 。
第五页，编辑于星期二：二点 二十七分。
?（1）油膜涡动与油膜振荡的发生条件
第十四页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 转轴弯曲故障的振动信号特征 ：
（轴弯曲故障的振动信号与不平衡基本相同。）
① 时域波形为近似的等幅正弦波； ② 轴心轨迹为一个比较稳定的圆或偏心率较小的椭圆，
由于轴弯曲常陪伴某种程度的轴瓦摩擦，故轴心轨迹 有时会有摩擦的特征； ③ 频谱成份以转动频率为主，伴有高次谐波成份。与不
的振动主要是 1X、2X、3X倍频分量。
第十六页，编辑于星期二：二点 二十七分。
? 转轴横向裂纹的振动信号特征 ：
① 振动带有非线性性质，出现旋转频率的 l×、2×、3× …·等高 倍分量，随裂纹扩展，刚度进一步下降， l×、2×……等频率 幅值随之增大， 相位角则发生不规则波动 ，与不平衡相角稳定
要求： 虽然作不到质量中心与旋转中心绝对重合，但为了设备的安全运 行，必需将偏心所激发的振动幅度控制在许可范围内。
第八页，编辑于星期二：二点 二十七分。
转子动力学第一章
2009-3-4
24
第四节
Jeffcott转子涡动分析
Jeffcott转子：垂直安装等截面对称转子、不计重力影响。 §1.4.2 Jeffcott转子运动微分方程 Jeffcott转子示意图（图1－10） 薄盘：h/D<0.1；偏心矩：e 定坐标系：oxyz；基点：o′ 设自转ω为常数，确定 o′的运动： x(t)、y(t) 或 r(t)、θ(t) 假设：扭转刚度无限大(不计扭振) 忽略轴向位移、刚性支承 轴的弯曲刚度为EJ E：弹性模量 J：截面惯性矩 运动状态及受力如图1－11
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31
ω=Ω，同步正涡动，或正协调进动； ω=－Ω，同步反涡动，或反协调进动； ω≠Ω，同方向，正涡动，或非协调正进动； ω≠Ω，反方向，反涡动，或非协调反进动。 当转子圆盘不在中间时，即使是无阻尼系统，其临界转速 ω≠p，主要是陀螺力矩影响。 例：已知：轴长l=57cm，直径d=1.5cm，轴材料弹性模量 E = 20.58 × 10 6 N / cm 2，圆盘厚度h=2cm，直径D=16cm,材 3 料密度 ρ = 7.8 × 10－3 kg / cm，不计阻尼。 求：1）临界转速ωcr 2）e=0.1cm，ω＝0.6ωcr；ω＝0.8ωcr时的动挠度r 及支反力幅值F。 ms = (π × 1.5 2 ) / 4 × 57 × 7.8 × 10－3 = 0.7856 kg 解：弹性轴质量： 2 －3 圆盘质量：mD = (π × 16 ) / 4 × 2 × 7.8 × 10 = 3.137kg
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令：
则
将运动方程作三角函数展开，则有 消去时间t，可得运动轨迹方程。 轨迹为一椭圆，半轴分别为a、b，半轴a与x轴夹角为α 如图1－2，半轴及夹角计算公式为
旋转机械的动力学特性
汇报人： 2024-01-03
目录
• 旋转机械的基本概念 • 旋转机械的动力学特性 • 旋转机械的动力学分析 • 旋转机械的动力学优化设计 • 旋转机械的动力学特性实验研
究
01
旋转机械的基本概念
旋转机械的定义
旋转机械是指通过旋转运动来完成工 作任务的机械设备，如电机、发电机 、泵、涡轮机等。
旋转机械的稳定性
稳定性定义
稳定性是指旋转机械在运转过程 中，当受到外界干扰时，能够恢 复到原始状态的能力。
稳定性分析
稳定性分析包括静态稳定性和动 态稳定性两个方面，其中动态稳 定性又可以分为轴向窜动、摆动 和扭转稳定性等类型。
提高稳定性的措施
提高稳定性的措施包括合理设计 机械结构、选择合适的轴承和传 动方式、采取减振措施等。
实验方法
对旋转机械进行动力学特性实验，记 录不同转速下的振动数据，分析其动 力学特性。
实验结果与分析
结果
实验结果显示，随着转速的增加，旋转机械的振动幅值逐渐增大，频率成分也发生变化。
分析
通过对实验数据的分析，可以得出旋转机械的动力学特性，包括固有频率、阻尼比等参数，为旋转机械的设计和 优化提供依据。
行。
通过优化机械结构和动力学 特性，提高稳定性。例如， 优化轴承和齿轮的设计，改
善润滑和冷却系统等。
采用先进的控制技术和智能监 测系统，实时监测机械的运行 状态并进行调整，进一步提高
机械的稳定性。
05
旋转机械的动力学特性实验研 究
实验设备与方法
实验设备
高精度测功机、振动测量仪、转速计 、数据采集系统等。
旋转机械在工业、能源、交通等领域 广泛应用，是现代工业生产中不可或 缺的重要设备。
旋转机械的动力学特性
轴瓦 宽度 mm 410
比压 N/cm2 13.5
阈速 r/min 2500
能量的适时输
实例：弦乐器发声 入。
荡秋千 吊桥、输电线的风致振动 机械钟表的摆动 机床切削振动，等
恒Hale Waihona Puke 能源自激振动实例－提琴弦的振动
振动
摩 擦 力
F1
琴弦
0
F2
相对速度
变化的 摩擦力 相对速度 的变化 相对速度 摩擦力 能量 弓的拉动
F1 v
V v
< >
F2
（ V + v） F2
V
（V – v） F1
支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很不同的。
回转效应对临界转速的影响
此园盘轴线方向不
变，没有回转效应 此园盘轴线方向变化， 回转效应增加轴的刚性
回转效应是旋转物体的惯性的表现，它增加轴的刚性， 故提高转子的临界转速。 有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。
200MW汽轮发电机组
高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子
衡方法。 转子运动的控制、非线性问题等。
▲ 稳定性
失稳因素，油膜振荡等，提高稳定
临界转速 critical speed
临界转速是共振转速，转子在临界转速下会发 生共振现象。 ▲ 临界转速在数值上一般等于转子横向振动的 固有频率。 ▲ 临界转速的大小决定于转子的结构（质量和 刚度的分布）和轴承的结构(边界条件)。 ▲ 一个实际的转子往往有很多阶临界转速，从 低到高依次称为第一阶、第二阶、第三阶等
W(输入)=F1 s > W (输出)=F2 s
每振动一周能量有积累，引起自激振动
摆动
自激振动实例－荡秋千
转子动力学——旋转机械的动力学特性教学教材
转子失稳的危害
★突发性一般无明显的 先兆。
★失稳运动一般规模很 大。
★低周涡动，转轴受交 变应力。引起疲劳破 坏。
自激振动的机理
激励
振动 系统
响应
恒定的能源提供振动 的能量。 反馈机制控制能量的 适时输入。
反馈 机制
实例：弦乐器发声
恒定 能源
荡秋千 吊桥、输电线的风致振动 机械钟表的摆动
机床切削振动，等
▲ 其他问题 如瞬态响应、扭转振动、非线性问题等。 ▲ 当前热点问题 复杂转子、失稳因素研究、故障诊断、
转子运动的控制、非线性问题等。
临界转速 critical speed
临界转速是共振转速，转子在临界转速下会发生共振现象。 ▲ 临界转速在数值上一般等于转子横向振动的固有频率。 ▲ 临界转速的大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和
# 6 、
改 瓦前 # 7 4 1 0 1 3 .5 2 5 0 0 1 2 8
80
改 瓦后 原 瓦
第 一
60
次 缩
40
# 6 、3 5 0 1 5 .7 2 5 0 0 4 0
秋千
普通摆
秋千
重心
变化
l
l上 l下
人的
起蹲 蹲
mg
下
重力
mg
下摆 重力做功 W(入)= mgl(1-cos)
上摆 重力做功 W(出)= – mgl(1-cos)
能量 W(入)= W(出)
起 立
蹲 下
W(入)= mgl下(1-cos) W(出)= – mgl上(1-cos)
W(入) > W(出)
结果
有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。
200MW汽轮发电机组
转子动力学
转子动力学求助编辑固体力学的分支。
主要研究转子-支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。
转子是涡轮机、电机等旋转式机械中的主要旋转部件。
目录物理术语介绍物理术语介绍展开编辑本段物理术语转子动力学（rotor dynamics）编辑本段介绍1869年英国的W.J.M.兰金关于离心力的论文和 1889年法国的C.G.P.de拉瓦尔关于挠性轴的试验是研究这一问题的先导。
随着近代工业的发展，逐渐出现了高速细长转子。
由于它们常在挠性状态下工作，所以其振动和稳定性问题就越发重要。
转子动力学的研究内容主要有以下5个：①临界转速由于制造中的误差，转子各微段的质心一般对回转轴线有微小偏离。
转子旋转时，由上述偏离造成的离心力会使转子产生横向振动。
这种振动在某些转速上显得异常强烈，这些转速称为临界转速。
为确保机器在工作转速范围内不致发生共振，临界转速应适当偏离工作转速例如10％以上。
临界转速同转子的弹性和质量分布等因素有关。
对于具有有限个集中质量的离散转动系统，临界转速的数目等于集中质量的个数；对于质量连续分布的弹性转动系统，临界转速有无穷多个。
计算大型转子支承系统临界转速最常用的数值方法为传递矩阵法。
其要点是：先把转子分成若干段，每段左右端4个截面参数（挠度、挠角、弯矩、剪力）之间的关系可用该段的传递矩阵描述。
如此递推，可得系统左右两端面的截面参数间的总传递矩阵。
再由边界条件和固有振动时有非零解的条件，籍试凑法求得各阶临界转速，并随后求得相应的振型。
②通过临界转速的状态一般转子都是变速通过临界转速的，故通过临界转速的状态为不平稳状态。
它主要在两个方面不同于固定在临界转速上旋转时的平稳状态：一是振幅的极大值比平稳状态的小，且转速变得愈快，振幅的极大值愈小；二是振幅的极大值不像平稳状态那样发生在临界转速上。
在不平稳状态下，转子上作用着变频干扰力，给分析带来困难。
转子动力学分析ppt课件
三、建立转子动力学模型
1、建立模型
当建立转子动力学分析模型时，最重要的是旋 转部件和不转动部件分开。
把旋转速度施加到旋转部件上。 确保旋转部件是轴对称的结构。 无论在ANSYS里建立模型或外部的CAD软件导入 模型，需要使用ANSYS中的组件和选择功能来优化 分析。这种情况下，要确定转轴、转盘、轴承、支 撑结构中哪些需要定义为组件或装配体。
3、常用的术语
（1）陀螺效应 所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一
样的效应。陀螺有两个特点：进动性和定轴性。简单 来说，陀螺效应就是旋转的物体有保持其旋转方向 （旋转轴的方向）的惯性。
对于一个绕轴Δ旋转的结构，如果在垂直于轴Δ施 加一个扰动会发生进动且会出现反力矩。这个反力矩 就是陀螺力矩。陀螺力矩的轴垂直于旋转轴也垂直于 进动轴。这将导致陀螺矩阵耦合了垂直于旋转轴平面 上的自由度。这也导致陀螺矩阵为非对称矩阵。
一、概述
➢ 转子动力学是研究轴向对称结构的旋转过程振动行为的一 门科学。例如，发动机、转子、光盘驱动器和涡轮机这些 设备。
➢ 通过研究惯性对结构的影响可以改进设计并且可以降低失 效的概率。像燃气轮机这样的高速旋转设备，必须要考虑 旋转件的惯性影响以便准确地预测转子的行为。
➢ 动平衡的理论根据就是转轴的弯曲振动和圆盘的质量以及 偏心距的大小的一定确定关系。
所谓的坎贝尔图就是监测点的振动幅值作为转速 和频率的函数，将整个转速范围内转子振动的全部分 量的变化特征表示出来，在坎贝尔图中横坐标表示转 速，纵坐标表示频率，其中强迫振动部分，即与转速 有关的频率成分，呈现在以原点引出的射线上，振幅 用圆圈来表示，圆圈直径的大小表示信号幅值的大小， 而自由振动部分则呈现在固定的频率线上。
KYY（1，0）=0，1000，2000 ！3个旋转速度（rd/s） KYY（1，1）=1E6，2.7E6，3.2E6 ！每一个旋转速度 对应的刚度特性