一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种转子‑轴承多源激励非线性系统建模方法，包括：根据集中参数法原理，建立转子‑轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子‑轴承系统结构参数；根据转子‑轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力和装配参数内部激励力；引入计算得到的转子‑轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子‑轴承系统的动力学微分方程。本发明专利技术解决了解决现有转子‑轴承系统模型考虑因素不全面的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法
本专利技术涉及旋转机械
，尤其是涉及一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法。
技术介绍
转子-轴承系统是旋转机械系统中的重要组成，通常是一种复杂多源激励非线性系统，转子-轴承系统的振动特性直接决定着机械系统的可靠性和安全性。由于转子-轴承系统在车辆、航空及军工等领域的重要性，国内外学者很早之前就开始对其进行相关研究。准确的转子-轴承系统动力学模型是机械系统振动特性分析、振动抑制优化和故障诊断等的基础。因此，对转子-轴承系统进行精确的动力学建模具有重要的意义。特别是对特种车辆，由于综合传动结构布局限制，传动主轴的两侧输出往往为非对称结构，从而造成系统刚度和阻尼等参数存在明显差别。单纯依靠静态设计方法设计的传动主轴，在稳态工况和起步、换挡等瞬态工况，车辆轴类零件将承受较大的振动载荷，左右轴段抗振动能力存在较大差别。常常导致较短一侧轴段抗振动能力差，应力接近或超过材料的屈服极限，从而产生早期疲劳断裂失效。因此，需要基于动力学理论对传动主轴-轴承系统进行振动特性分析、参数影响规律分析、参数灵敏度分析及振动抑制优化研究，为实现系统的刚、强度综合设计提供相应的理论基础与指导。然而，现有的转子-轴承系统模型，很少考虑弯曲振动和扭转振动的耦合，特别是不能综合全面的考虑结构参数、制造参数和装配参数的影响。在实际的转子-轴承系统中，即使结构参数确定时，由制造造成的转子的偏心、轴承初始游隙和装配造成的内外花键不对中、轴承工作游隙变化等都会引起系统内部激励力、激励扭矩的变化。当这些内部激励过大时会严重影响转子-轴承系统的工作性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，以解决现有转子-轴承系统模型考虑因素不全面的技术问题，进而提高传动系统的刚度和强度。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，包括：根据集中参数法原理，建立转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子-轴承系统结构参数；根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力；根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算装配参数内部激励力；引入计算得到的转子-轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子-轴承系统的动力学微分方程。可选的，转子-轴承系统结构参数包括：转子的集中质量和转动惯量，以及主轴的轴段的弯曲刚度、弯曲阻尼、扭转刚度和扭转阻尼。可选的，主轴的轴段的弯曲刚度的计算式为：式中，E为材料的弹性模量，Iz为轴段横截面对其中性轴的惯性矩；l为轴段长度；主轴的轴段的弯曲阻尼的计算式为：式中，ξs为弯曲阻尼比，根据实际材料取0.03-0.1，Jm、Jp分别为轴段两端的转动惯量；主轴的轴段的扭转刚度的计算式为：式中，G为材料的剪切弹性模量，Ip为轴段横截面对圆心的极惯性矩；主轴的轴段的扭转刚度的计算式为：式中，ξt为扭转阻尼比，根据实际材料取0.005-0.075，Jm、Jp分别为轴段两端的转动惯量。可选的，转子偏心引起的横向激励力fex、垂向激励力fey以及激励力矩Te分别为：式中，m为转盘质量，g为重力加速度，e为偏心距，为转盘转角。可选的，轴承在横向的激励力fx和垂向的激励力fy分别为：式中，kc为接触刚度，滚动体个数为N0，Hj为接触系数，θj为第j个滚动体经过时间t后转过的角度，δj为轴承第j个滚动体在角位移θj处与滚道的径向接触变形量，n为常数，对于球轴承n＝3/2，对于滚子轴承n＝10/9。可选的，装配参数内部激励力包括：花键不对中量产生的内部激励和工作游隙变化产生的内部激励。可选的，当动态振动位移发生在任意角度时，花键不对中量所造成的横向激励力fhx和垂向激励力fhy分别为：式中，FX和FY分别为将花键不对中产生的动态啮合力分解的分力。可选的，工作游隙变化时，轴承的横向激励力和垂向的激励力分别为：式中，kc为接触刚度，滚动体个数为N0，Hj为接触系数，θj为第j个滚动体经过时间t后转过的角度，δrj为根据实际工作游隙计算的轴承第j个滚动体在角位移θj处与滚道的径向接触变形量，n为常数，对于球轴承n＝3/2，对于滚子轴承n＝10/9。可选的，转子-轴承系统的动力学微分方程为：式中，M为惯量矩阵，K为刚度矩阵，C为阻尼矩阵，F为激励力。本专利技术公开了一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，包括：根据集中参数法原理，建立转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子-轴承系统结构参数；根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力和装配参数内部激励力；引入计算得到的转子-轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子-轴承系统的动力学微分方程。本专利技术解决了解决现有转子-轴承系统模型考虑因素不全面的技术问题。附图说明图1是转子-轴承多源激励非线性系统建模方法的流程图；图2是转子-轴承系统的转子受力分析图；图3是转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型示意图；图4是系统弯曲振动左右端横向动载荷仿真结果对比图；图5是系统弯曲振动左右端垂向动载荷仿真结果对比图；图6是系统扭转振动左右端扭转动载荷仿真结果对比图；图7是右端弯曲刚度对左右端横向弯曲动载荷的响应规律图；图8是右端弯曲刚度对左右端垂向弯曲动载荷的响应规律图；图9是右端弯曲刚度对左右端扭转动载荷的响应规律图；图10是转子2花键静态不对中对左右端横向弯曲动载荷的响应规律图；图11是转子2花键静态不对中对左右端垂向弯曲动载荷的响应规律图；图12是转子2花键静态不对中对左右端扭转动载荷的响应规律图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。图1是转子-轴承多源激励非线性系统建模方法的流程图，转子-轴承多源激励非线性系统建模方法具体包括：根据集中参数法原理，建立转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子-轴承系统结构参数，根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，再引入计算得到的转子-轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子-轴承系统的动力学微分方程。最后求解方程并进行转子轴承系统振动响应分析。图3是转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型示意图，如图3所示，对某特种车辆综合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，包括：/n根据集中参数法原理，建立转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子-轴承系统结构参数；/n根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力；/n根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算装配参数内部激励力；/n引入计算得到的转子-轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子-轴承系统的动力学微分方程。/n

【技术特征摘要】
1.一种转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，包括：
根据集中参数法原理，建立转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算转子-轴承系统结构参数；
根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算制造参数内部激励力；
根据转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型，计算装配参数内部激励力；
引入计算得到的转子-轴承系统结构参数、制造参数内部激励力和装配参数内部激励力，并根据质心运动定理和动量矩定理，建立转子-轴承系统的动力学微分方程。


2.根据权利要求1所述的转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，转子-轴承系统结构参数包括：转子的集中质量和转动惯量，以及主轴的轴段的弯曲刚度、弯曲阻尼、扭转刚度和扭转阻尼。


3.根据权利要求2所述的转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，主轴的轴段的弯曲刚度的计算式为：



式中，E为材料的弹性模量，Iz为轴段横截面对其中性轴的惯性矩；l为轴段长度；
主轴的轴段的弯曲阻尼的计算式为：



式中，ξs为弯曲阻尼比，根据实际材料取0.03-0.1，Jm、Jp分别为轴段两端的转动惯量；
主轴的轴段的扭转刚度的计算式为：



式中，G为材料的剪切弹性模量，Ip为轴段横截面对圆心的极惯性矩；
主轴的轴段的扭转刚度的计算式为：



式中，ξt为扭转阻尼比，根据实际材料取0.005-0.075，Jm、Jp分别为轴段两端的转动惯量。


4.根据权利要求1所述的转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，制造参数内部激励力包括：转子偏心产生的内部激励和轴承初始游隙产生的内部激励。


5.根据权利要求4所述的转子-轴承多源激励非线性系统建模方法，其特征在于，转子偏心引起的横向激励力...

【专利技术属性】
技术研发人员：李以农，张志达，罗法氿，张运涛，郑玲，王成，昝成霖，郭建新，崔庭琼，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50