齿轮转子滑动轴承系统非线性动力学特性的理论和试验研究.pdf

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工学博士学位论文


齿轮-转子-滑动轴承系统非线性
动力学特性的理论和试验研究



博士研究生: 崔亚辉
导师: 刘占生教授
申请学位: 工学博士
学科: 动力机械及工程
所在单位: 能源科学与工程学院
答辩日期: 2009 年 12 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621



Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering


THEORETICAL AND EXPERIMENTAL
RESEARCH ON NONLINEAR VIRBARTION
CHARACTERISTIC OF GEAR-ROTOR-OIL
JOURNAL BEARING SYSTEM





Candidate: Cui Yahui
Supervisor: Prof. Liu Zhansheng
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Power Machine and Engineering
Affiliation: Energy Science and Engineering
Date of Defence: December, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
齿轮-转子系统是动力传输系统振动问题的最主要来源,齿轮系统工作时产
生的强烈振动,对系统的安全性和隐蔽性造成了严重的影响。目前,工程实践中
复杂齿轮-转子-轴承系统的振动机理尚未清楚,针对此问题,从齿轮动力学和
转子动力学的角度出发,考虑系统的齿侧间隙、时变啮合刚度、静态传动误差、
输入输出扭矩激励、弹性轴和轴承的影响,建立了齿轮-转子系统的非线性动力
学模型。对动力学模型进行了数值仿真,研究了转速对动态啮合力和系统的振动
特性的影响。在判断系统的振动是否为混沌的过程中,采用混沌时间序列分析理
论计算了齿轮传动系统的高维非线性方程组的最大 Lyapunov 指数,数值积分的
结果表明:动力学模型能合理地体现齿轮啮合的三种冲击状态;混沌时间序列分
析理论能有效地计算出齿轮传动系统高维非线性方程组的最大 Lyapunov 指数。
齿轮副扭转振动系统是最基础的齿轮系统,为了从近似解析解的角度研究齿
侧间隙的大小对齿轮副扭转振动系统的幅频响应曲线的影响规律,将多项谐波平
衡法与求解非线性方程组的最小二乘解的广义逆法相结合求解近似解析解,研究
结果表明:齿侧间隙对系统幅频响应曲线的影响除了与齿侧间隙的大小密切相关
之外,还与阻尼、时变啮合刚度谐波项幅值及预紧力紧密相关。当阻尼相对较小
时,系统的幅频响应曲线受到齿侧间隙的影响比较明显,在不同的齿侧间隙下,
主共振区和超谐共振区都会出现振幅跳跃现象;阻尼比增大到一定值后,随着齿
侧间隙逐渐增大,主共振区始终出现振幅跳跃,但在振幅相对较小的超谐共振区
振幅跳跃现象变得不明显;当阻尼比增大到较大值时,不同的齿侧间隙下,系统
的幅频响应曲线都接近于线性系统的响应曲线。随着啮合刚度一次谐波项幅值的
逐渐增大,齿侧间隙比相对较小时,幅频响应曲线在主共振区会体现出“硬化曲
线”的特征;当齿轮间隙比增大到一定值时,不论啮合刚度一次谐波项幅值的大
小为多少,系统的幅频响应曲线均体现出“软化曲线”的特征。在预紧力比较小
的条件下,当齿侧间隙比相对较小时,幅频响应曲线只在局部转速范围内体现出
“硬化曲线”;当齿侧间隙比相对较大时,幅频响应曲线体现为“软化曲线”。在
预紧力比较大的条件下,齿侧间隙越小,“硬化曲线”的特征越明显;齿侧间隙
需要增大到较大值才能使主共振区的幅频响应曲线变成“软化曲线”。
由于齿轮副扭转振动系统的模型假设转轴和轴承是刚性不变形的,与实际的
齿轮-转子系统存在一定的差别,为了研究不同齿侧间隙对齿轮-转子系统的动
力学特性的影响,采用数值仿真研究了不同齿侧间隙对系统的分岔和混沌的影
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
响,研究结果表明:齿侧间隙对系统的第一阶弯曲临界转速处的振动状态的影响
比较大,齿侧间隙相对较小时,系统的第一阶弯曲临