转子轴承系统动力学分析系统的设计与实现

转子轴承系统动力学分析系统的设计与实现

朱爱斌1，张锁怀2，丘大谋1，谢友柏1

(1.西安交通大学 润滑理论及轴承研究所,陕西西安 710049; 2. 上海应用技术学院,上海 200235)

摘 要: 分析了如何基于Matlab和VB开发齿轮啮合的转子轴承系统动力学分析系统的问题，介绍了系统的总体设计和具体实现途径，提出将Matlab和VB的三种集成方法混合应用，并通过实例说明系统的使用方法和计算分析内容。该系统能够有效缩短齿轮啮合的转子轴承系统的设计开发周期，优化系统的性能。关键词:转子轴承；齿轮；动力学分析；Matlab

中图分类号: TH12；TP312 文献标识码:A

Design and Realization of Rotor-Bearing System's Dynamic Characteristics Analyzing System

ZHU aibin1 ZHANG suohuai2 QIU damou1 XIE youbai1

(Theory of Lubrication and Bearing Institute, Xi'an Jiaotong University, Xi’an 710049, China) Abstract : Issue of how to develop dynamic characteristics analyzing system of geared rotor-bearing system with Matlab and Visual Basic was analyzed, framework design and realized approach was introduced, and method of mixed application of three integration ways between Maltab and VB was proposed. A case was given to show the computing and analyzing process. The analyzing system can efficiently short the design and development time of geared rotor-bearing system, and optimize the performance of geared rotor-bearing system.

Key words : rotor bearing; gear; dynamic characteristics analyzing; matlab

齿轮耦合的转子轴承系统即多个转子－轴承

系统通过齿轮耦合联系在一起[1][2]。这种系统既保留了单个转子－轴承系统的某些动力学特性，又具有齿轮传动所引起的一些新特性。某一转子－轴承系统的动力学性能的改变，通过齿轮的耦合作用，必将影响另一转子－轴承系统的动力学性能；横向振动通过齿轮传递后，将引起转子产生扭转振动，也就是说，弯曲振动和扭转振动将同时发生，即发生弯扭耦合振动[3]；齿轮参数的改变，必将导致整个系统的动力学性能发生变化，这是该系统所独有的特性。

具有齿轮啮合的转子轴承系统在风机、压缩机、增速器等机器中广泛存在，由于齿轮的啮合作用，使原本相互独立的多个转子轴承系统联接在一起，从而使各转子轴承系统的动力特性相互影响，整个系统的动力特性与单个子系统的动力特性大不一样[4]。在齿轮耦合的转子轴承系统的研究基础上，基于Matlab和VB开发了齿轮啮合的转子轴承系统动力学分析系统，可以用于压缩机、风机等流体机械及增速器、减速器等具有齿轮传动的平行轴系的转子系统动力学分析。分析内容包括稳定性、临界转速、强迫振动响应、系统特征值及振型的计算和分析。同时本系统也能够完成转子轴承系统中任意单根转子的动力学分析。1 总体框架设计

1.1 系统设计原则

系统是面向具有转子轴承系统动力学一般知识的企业或者科研院所用户而开发的，基本的设计原则包括：

(1) 建立考虑齿轮啮合因素的平行轴系的转子轴承系统的数学模型，使其计算结果能够与实际情况的误差较小；

(2) 提供简单、合理和方便的使用界面，适应不同使用水平的用户；

(3) 提供包括数据，图形，XML文档等多种形式的丰富的参数表示形式，给用户直观，丰富的信息；

(4) 结合Matlab的数据处理，矩阵计算和图形1显示的强大功能和VB在图形用户界面开发方面的优势；

1.2 系统总体框架

收稿日期:2004 - 09 - 14

基金项目:博士学科点专项科研基金(20030698005，20050698016)

图1 系统总体框架

系统总体框架如图1所示。通过对转子轴承系统功能的分析，将计算内容分为两部分，即1）特征值及强迫振动响应计算，和2）临界转速及失稳转速计算。利用VB在图形用户界面开发方面的优势，开发了数据输入界面和计算分析结果显示界面。针对系统实现中的不同问题，综合应用Matlab 和VB的三种集成方式，即1）Matlab的ActiveX 对象服务，2）Windows应用程序的DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）技术，和3）调用伪代码p文件。有些文献也提出了使用MatrixVB 组件的方法[5,6]。由于MatrixVB所提供的函数有限，不能满足系统计算的需要，所以在本系统中没有采用。对于复杂数据处理，大运算量的矩阵计算和分析图形生成问题，采用Matlab计算引擎完成。

2系统的实现

2.1 数学模型的建立和Matlab的实现

有很多方法可以用近似方法建立一个转子轴承系统的数学模型，如有限单元法、集总参数法、传递矩阵法等。建立本系统模型的关键是如何考虑齿轮啮合这一因素。文[1]首先建立转子轴承系统的数学模型，然后按照实际齿轮参数计算确定齿轮啮合刚度和啮合阻尼，并考虑斜齿圆柱齿轮传动时，轴向力对系统动力特性的影响，通过齿轮间的啮合力，将多个转子轴承系统联系起来，形成该系统的数学模型，并使用Matlab实现方程的求解和稳定性、临界转速、强迫振动响应、系统特征值及振型的计算和分析。

2.2 Matlab和VB的集成

Matlab的优势在于数据处理，矩阵计算和图形显示，VB的优势在于图形化界面，系统实现的关键在于实现Matlab和VB的无缝集成。

系统针对实现中的不同问题，综合应用了三种集成方式，在1）对于Matlab和VB的矩阵数据存取交换的问题，采用调用Matlab的ActiveX对象服务。其主要是使用VB的CreateObject方法，创建Matlab的ActiveX对象；然后使用该对象的Execute 方法，接收Matlab的字符串命令并在Matlab中执行，使用GetFullMatrix和PutFullMatrix方法，直接从工作空间存贮和取出矩阵数据。在2）对于Matlab和VB的图形数据交换问题，采用Windows 应用程序的DDE技术。先建立DDE会话，然后对会话进行初始化和进行响应，将Matlab计算所得的模态，强迫振动响应等相关图形，拷贝到VB的剪贴板，并显示在系统界面中，这样可以充分利用Matlab强大的分析图形生成能力。在3）对于文件运行效率和m文件保密问题，采用调用伪代码p文件的方法。由于m文件运行效率较低，而且无法保密源文件内容，系统采用pcode命令将m文件生成预分析的伪代码文件p文件，这样可以提高运行效率，同时可以保密原有的m文件内容。

2.3 XML格式的输入参数

图2 XML格式的系统输入参数由于一次计算必须输入系统的总体参数和转子轴承的参数，参数比较多，为了方便用户输入，系统不仅提供了图形界面输入，同时也提供了XML 格式的输入参数，如图2所示。其不仅提供了层次分明的系统输入参数，并且系统也根据XML文档的结构，可以实现将现有的输入参数保存为XML 文档，便于以后重新导入文件进行参数修改和性能分析计算。