可倾瓦轴承—转子系统的非线性动力学分析与主动控制.pdf

国内图书分类号:TH133 O322 学校代码:10213
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工学博士学位论文


可倾瓦轴承—转子系统的非线性动力学分析
与主动控制




博士研究生: 宫晓春
导师: 曹登庆教授
申请学位: 工学博士
学科: 一般力学与力学基础
所在单位: 航天学院
答辩日期: 2011 年 07 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TH133 O322
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering



NONLINEAR DYNAMICS ANALYSIS AND
ACTIVE CONTROL OF ROTOR TILTING PAD
JOURNAL BEARING SYSTEM






Candidate: Gong Xiaochun
Supervisor: Prof. Cao Dengqing
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Generally Mechanics and
Foundations of Mechanics
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: July, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
随着大型旋转机械向高转速、高负载、高精度等方向发展,其核心部件轴
承—转子系统的非线性动力失稳问题越来越突出。因此,需要深入研究轴承—转
子系统的非线性动力学特性和失稳机理以及其结构参数和运行参数对稳定性的影
响规律。滑动轴承的油膜力是其中极为典型的非线性因素之一,建立一个合理且
易于解析处理的油膜力模型对于轴承—转子系统运动稳定性分析和工程应用都具
有重要意义。另一方面,要对导致轴承—转子系统动力失稳的因素加以控制,采
用有效措施提高系统的运动稳定性,转子在工作中一旦出现异常振动现象,要立
即采取有效的纠正措施,避免动力失稳后产生更加严重的后果。对于轴承—转子
系统的振动控制问题,控制装置的设计与控制器参数的调节在很大程度上决定了
控制性能的好坏。
本文的研究工作主要集中在两个方面,即可倾瓦轴承非线性油膜力解析模型
的建立和轴承—转子系统的振动主动控制。首先建立了可倾瓦滑动轴承的非线性
油膜力解析模型,接着针对可倾瓦轴承—转子系统油膜失稳等问题采用主动润滑
系统进行控制,并设计了多种行之有效的控制器,计算分析在各种控制器作用下
转子系统油膜失稳的控制情况,取得的主要成果有:
1. 基于短轴承假设,建立了可倾瓦轴承非线性油膜力的解析模型。首先根据
轴承单个瓦块与转子的运动平衡关系和几何关系,推导出了瓦块摆角的计算公
式,基于短轴承假设和 Reynolds 边界条件求得了每个瓦块上的油膜压力分布,并
采用油膜压力的修正函数来确定油膜力的自由边界条件,对每个瓦块的油膜压力
进行积分得到其油膜力,进而将所有瓦块的油膜力进行矢量求和得到了整个可倾
瓦轴承的非线性油膜力的解析表达式。利用油膜力解析模型分析了可倾瓦轴承—
非对称转子系统的动力学特性,通过和有限差分法导出的油膜力模型的计算结果
进行比较,证实了本文油膜力解析模型的有效性和实用性。
2. 针对可倾瓦轴承—非对称转子系统存在的油膜涡动等失稳现象,设计了基
于 PI、PID 的主动润滑控制系统。本文建立了基于电液控制系统的主动可倾瓦轴
承的动力学模型,包括在主动润滑下可倾瓦轴承的油膜厚度,主动润滑 Reynolds
方程,电液控制系统方程等。为便于控制的实现,采用工程上常用的 PI、PID 控
制器对可倾瓦轴承—非对称转子系统进行控制,并分析其动力学响应。研究结果
表明,在主动润滑控制系统的作用下,转子系统的振动得到很好的抑制,系统发
生油膜涡动时的转速得到提高,系统稳定工作的转速范围得到拓宽,并且发生油
膜涡动时系统的振幅也得到了抑制。
3. 针对电液控制系统存在的高度非线性、时变不确定性等问题,采用神经网
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
络技术对主动润滑控制系统进行改进。利用 RBF 神经网络和 BP 神经网络来优化
常规的