裂紋盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)因其重量輕、易裝配、冷卻性能良好，而被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重要工業(yè)及國(guó)防裝備中；裂紋作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種典型故障形式，一旦出現(xiàn)常造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，開(kāi)展此類故障拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性研究，預(yù)防裂紋故障發(fā)生和加劇，對(duì)確保設(shè)備可靠運(yùn)行，降低經(jīng)濟(jì)損失有重要意義。在本基金項(xiàng)目大力資助和支持下，分別從理論，仿真，實(shí)驗(yàn)三方面探究了含裂紋盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力特性，首先分別建立了一維滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承支承的盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)方程，搭建了動(dòng)力仿真分析計(jì)算程序，考察了轉(zhuǎn)速，不平衡量，裂紋深度等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，一維滑動(dòng)軸承裂紋系統(tǒng)的穩(wěn)定性曲線發(fā)生偏移，在一臨界轉(zhuǎn)速附近出現(xiàn)雙共振峰點(diǎn)，振動(dòng)幅值和頻率成分均發(fā)生變化，而一維滾動(dòng)軸承非線性動(dòng)力特性更加復(fù)雜多樣；其次重點(diǎn)研究了三維拉桿裂紋建模方法，建立了三維含裂紋盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型和三維裂紋系統(tǒng)動(dòng)力方程，搭建了三維動(dòng)力仿真分析程序，分析了裂紋對(duì)系統(tǒng)應(yīng)力分布的影響，裂紋前緣應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律，裂紋擴(kuò)展引起的初始彎曲效應(yīng)，研究了三維裂紋組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性，相比無(wú)裂紋系統(tǒng)，振動(dòng)幅值增大及頻率成分變化是裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要特征；初步形成裂紋盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力和動(dòng)力聯(lián)合分析方法；考察了典型加工缺陷對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響；此外，設(shè)計(jì)并建立了裂紋盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明振動(dòng)加劇是裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要特征之一。相關(guān)研究可為解決此類組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋缺陷的發(fā)現(xiàn)、抑制提供理論依據(jù)，為相關(guān)動(dòng)力裝備現(xiàn)場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)及安全運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo)和工程參考，因而具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。資助期間發(fā)表及錄用論文共15篇（其中SCI-13篇，EI-2篇），申請(qǐng)專利4項(xiàng)（授權(quán)1項(xiàng)，實(shí)質(zhì)審查3項(xiàng)）；培養(yǎng)碩士或博士研究生共計(jì)10名；赴美國(guó)，日本等地參與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流9人次。

針對(duì)盤(pán)式拉桿轉(zhuǎn)子大預(yù)緊力造成其裂紋形態(tài)復(fù)雜、開(kāi)狀態(tài)占優(yōu)的特點(diǎn)，直接在盤(pán)式拉桿轉(zhuǎn)子動(dòng)力應(yīng)力模型中建立三維裂紋，發(fā)展裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子的應(yīng)力及動(dòng)力聯(lián)合分析方法；不同于一般轉(zhuǎn)子僅考慮裂紋造成轉(zhuǎn)軸剛度降低對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，重點(diǎn)研究裂紋通過(guò)改變拉桿組合轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布造成拉桿及接觸界面等關(guān)鍵動(dòng)力部件參數(shù)重構(gòu)，及其對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律和特殊機(jī)制；進(jìn)而結(jié)合斷裂力學(xué)中的裂紋擴(kuò)展追蹤方法，研究并掌握拉桿組合轉(zhuǎn)子上裂紋擴(kuò)展及其對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律。最終提供可用于此類復(fù)雜轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)裂紋缺陷分析判別的動(dòng)力學(xué)分析方法和技術(shù)，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為解決此處裂紋缺陷的發(fā)現(xiàn)、避免和抑制提供理論依據(jù)，因而具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。項(xiàng)目的意義還在于通過(guò)引入裂紋轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)三維應(yīng)力動(dòng)力非線性數(shù)值分析方法的研究，突破了目前裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究難以應(yīng)用于實(shí)際復(fù)雜轉(zhuǎn)子的瓶頸，從而提高我國(guó)對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)水平。

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高溫、高壓燃?xì)馔苿?dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，具有高效、潔凈、安全等特性。作為當(dāng)前重型燃機(jī)轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)形式，組合式拉桿轉(zhuǎn)子具有重量輕、冷卻好、易裝配以及輪盤(pán)材料選擇靈活等優(yōu)點(diǎn)。周向拉桿轉(zhuǎn)子作為最常用的組合式拉桿轉(zhuǎn)子，各輪盤(pán)需要通過(guò)拉桿預(yù)緊組合而成，拉桿結(jié)構(gòu)形式、預(yù)緊力選取、凸肩布置方式等會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子整體動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生較大影響。凸肩作為燃?xì)廨啓C(jī)周向拉桿上的重要結(jié)構(gòu)，其主要作用是在燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)保持與輪盤(pán)接觸，防止拉桿彎曲變形過(guò)大或振動(dòng)過(guò)于劇烈。

計(jì)算分析不同拉桿凸肩與拉桿孔靜態(tài)安裝間隙量、不同拉桿凸肩跨距下，周向拉桿轉(zhuǎn)子拉桿最大應(yīng)力值隨轉(zhuǎn)速的變化，得到主要結(jié)論如下：

(1)拉桿凸肩與拉桿孔的靜態(tài)安裝間隙量不影響拉桿在正常工作狀態(tài)下的應(yīng)力，但影響轉(zhuǎn)子升速時(shí)拉桿最大應(yīng)力；

(2)隨著轉(zhuǎn)速升高，存在周向拉桿轉(zhuǎn)子拉桿最大應(yīng)力值變化規(guī)律各不相同的低中高3個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域，其根本原因是拉桿凸肩和拉桿孔的接觸狀態(tài)的影響；

(3)增加凸肩、減小凸肩跨距能夠有效減小拉桿最大應(yīng)力，與不等距方案相比，等距增加拉桿凸肩的改進(jìn)方案具有更顯著的降低應(yīng)力效果，相對(duì)凸肩跨距系數(shù)小于0．6時(shí)繼續(xù)減小凸肩跨距，降低應(yīng)力效果不明顯。

三排滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承

三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承同時(shí)承受軸向載荷、傾覆力矩和徑向載荷。與交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤(pán)軸承相比減少了每個(gè)滾子的載荷，與雙排異徑球轉(zhuǎn)盤(pán)軸承相比由點(diǎn)接觸改為線接觸，降低了接觸應(yīng)力，因此，在相同外形尺寸條件下其承載能力是最高的軸承。該結(jié)構(gòu)的軸向載荷和徑向載荷分別由不同滾子承受，其中軸向載荷和傾覆力矩由軸線水平放置的兩組滾子承受，徑向載荷由軸線垂直放置的一組滾子承受。不同的滾道和滾子承受，所以在同等受力條件下，軸承的直徑可大大縮小，因而使主機(jī)更緊湊，是一種高承載能力的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承。

三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承主要由內(nèi)圈、外圈、三排滾子、保持架（隔離塊）、密封裝置等零件組成。

按照齒結(jié)構(gòu)分，可以分為無(wú)齒、內(nèi)齒、外齒三種結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)軸承適用于大軸向載荷和傾覆力矩、有較大徑向載荷、摩擦力矩要求不高的場(chǎng)合。保持架根據(jù)使用場(chǎng)合不同，材料一般有尼龍隔離快、尼龍分段保持架、鋁合金保持架分段鋼保持架和黃銅保持架。

應(yīng)用領(lǐng)域：

廣泛用于堆取料機(jī)，超重運(yùn)輸機(jī)械，港口起重機(jī)、鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)、盾構(gòu)機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。2100433B