曾 瑤，陳 亮，蔣云帆，龐燕龍，吳 凡

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

在現(xiàn)代旋轉機械輕質、高速設計趨勢下，轉子系統(tǒng)的振動問題日益突出，而其中失穩(wěn)現(xiàn)象更是成為困擾工程師們的難題[1-4]。引起轉子系統(tǒng)失穩(wěn)振動的因素很多，常見的有油膜力、密封力、轉軸的剛度不對稱、轉軸材料的粘性特性、轉靜碰摩、充液轉子和裂紋轉子等。轉子系統(tǒng)失穩(wěn)振動一旦出現(xiàn)，將引起支撐失效、轉軸斷裂等嚴重故障，甚至造成機毀人亡的惡性事故。

針對轉子系統(tǒng)的失穩(wěn)特性，國內外學者進行了大量研究。Samantaray等[5]發(fā)現(xiàn)非線性內阻尼會導致轉子系統(tǒng)在某些轉速范圍內失穩(wěn)；程禮等[6]建立了考慮結構阻尼的轉子動力學簡化模型，采用Routh Hurwitz判據(jù)和平衡點解預測追蹤算法分析了轉子系統(tǒng)的失穩(wěn)門檻轉速；高騰等[7]對花鍵連接轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了研究，采用有限元方法建立了花鍵連接轉子模型，采用特征值方法對花鍵連接轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析。但就現(xiàn)有的轉子系統(tǒng)失穩(wěn)振動研究中，鮮有針對配合因素引起的失穩(wěn)研究。然而工程實際中，因配合因素引起的轉子失穩(wěn)現(xiàn)象并不少見，航空燃氣渦輪發(fā)動機、直升機傳動系統(tǒng)、航天飛機主機供油泵和供氧泵等轉子系統(tǒng)均在研制過程中出現(xiàn)過失穩(wěn)現(xiàn)象[6-11]。為此，本文針對圓柱面配合對轉子穩(wěn)定性的影響機理進行研究，分析各參數(shù)對轉子穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以期為轉子穩(wěn)定性設計提供指導。

2 考慮內摩擦力的動力學模型

航空發(fā)動機中常采用熱套配合來固聯(lián)盤和軸、盤和鼓或軸承內環(huán)和軸，這些均屬于過盈配合。采用過盈配合時，當部件發(fā)生變形或受熱不均勻時，配合面緊度可能會減小，導致配合面相對滑動而產(chǎn)生內摩擦力。為說明圓柱面配合產(chǎn)生內摩擦力的機理，取圖1所示的簡單對稱轉子作為分析模型，其中盤與轉軸之間采用圓柱面過盈配合。圖中，m為盤質量，d為盤直徑，b為圓柱配合面長度，k為轉軸剛度，r為轉軸直徑，l為轉軸跨距，T為配合面剪力，M為外力矩，F(xiàn)為橫向集中力。

圖1 圓柱面配合的簡單轉子Fig.1 The simple rotor with cylindrical fitting

由圖1可知，當軸發(fā)生撓曲變形時，轉軸中性面外部纖維拉長，內部纖維縮短，軸和盤的配合面產(chǎn)生微變形，盤上配合面會向軸配合面施加阻礙這種變形的剪切力[9]。當軸撓曲變形增大到一定程度，配合面間會出現(xiàn)微滑動，產(chǎn)生內摩擦。在彈性線形狀一定的情況下，轉軸的曲率正比于撓度，配合面相對滑動速度正比于該處軸的相對速度[12]。配合面剪力為：

式中：FN=σpπrb為配合面擠壓力，σp為發(fā)生撓曲變形時配合面上的擠壓應力；ζ?c為配合面間相對滑動速度；μ為摩擦系數(shù)。

由于上下半軸配合面上所受的剪力大小相等、方向相反，構成一力偶，可以用兩個等效的外力矩代替[12]。依據(jù)能量等效性原則，可將外力矩對轉子產(chǎn)生的作用等價為一個橫向集中力，有：

在分析系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性問題時，為便于數(shù)學處理，將橫向集中力等效簡化為線性阻尼力，如式(4)所示。

式中：ci為內阻尼系數(shù)。

對于圖1所示的簡單對稱轉子，考慮內摩擦力，不計重力作用，在以角速度ω旋轉的坐標系Oξηz中，其運動方程為：

通過固定坐標系Oxyz與旋轉坐標系Oξηz之間的對應關系

可將運動方程轉化到固定坐標系

把復向量方程轉換為實變量方程組

其中剛度矩陣可分解成對稱部分和反對稱部分

由此可見，內阻尼產(chǎn)生反對稱交叉剛度分量，且此剛度分量與轉速相關。反對稱交叉剛度將向轉子輸入能量，當反對稱交叉剛度增大到某一臨界值時，系統(tǒng)動力不穩(wěn)定。

3 穩(wěn)定性分析

以單盤試驗轉子為對象進行穩(wěn)定性分析。其中，盤與軸之間采用過盈配合，轉子系統(tǒng)的初始計算參數(shù)如表1所示，理論計算得到轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速為205 rad/s。

表1 計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

不計重力作用，通過四階Runge-Kutta法求解轉子系統(tǒng)的動力學方程，將微分方程轉換為式(11)、式(12)的形式，通過Matlab編程計算，對轉子系統(tǒng)的振動響應進行分析。

圖2 不同轉速下的轉子響應Fig.2 The rotor response at different speeds

由微分方程求解得到的不同轉速下的轉子響應。300 rad/s和420 rad/s轉速下的轉子響應(圖2)中，頻譜圖上存在明顯的次諧波，且其頻率為33 Hz，與轉子系統(tǒng)的一階臨界轉速接近，為配合面摩擦產(chǎn)生的內摩擦力所激起的振動頻率。轉速為300 rad/s時，轉子振動響應幅值隨時間逐漸降低，轉子系統(tǒng)穩(wěn)定。當轉速達到420 rad/s時，時域波形圖上振動幅值隨時間的增加而增大，頻譜圖上配合面內摩擦激起的振動成分遠超過基頻且明顯占優(yōu)，轉子發(fā)生失穩(wěn)振動。因此，420 rad/s為轉子系統(tǒng)的失穩(wěn)門檻轉速，約為轉子系統(tǒng)一階臨界轉速的2倍，失穩(wěn)振動頻率為轉子一階臨界轉速對應頻率。

3.1 配合參數(shù)的影響

工程實際中，對于配合面的選擇，主要參數(shù)為配合面的長度和緊度。為此，主要分析配合面的摩擦系數(shù)、長度和緊度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析的前提是配合面之間已經(jīng)存在相對滑動。

根據(jù)圖3～圖5中的計算結果可以發(fā)現(xiàn)：轉速ω=420 rad/s時，增加配合面的摩擦系數(shù)、長度和緊度，轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降。當摩擦系數(shù)由0.1增加到0.2，或配合面長度由19.0 mm增加到20.0 mm，或配合面緊度由100 kPa增加到200 kPa時，轉子由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，即轉子的失穩(wěn)門檻轉速降低；內摩擦力激起的振動頻率始終保持在33 Hz左右，不隨配合參數(shù)的變化而變化。表2總結了配合參數(shù)對轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

需說明的是，針對由圓柱面過盈配合引起的轉子失穩(wěn)振動，圓柱面配合的緊度、長度是非常特別的因素。圖3～圖5總結的影響規(guī)律是在配合面已存在內摩擦的前提下得出的，而實際上配合面間是否存在內摩擦，配合面的緊度、長度是關鍵參數(shù)。當配合面的緊度不足、長度較短時，配合面間可能會產(chǎn)生相對滑動，進而產(chǎn)生不穩(wěn)定力。當配合面的緊度、長度足以保證配合面間不產(chǎn)生相對滑動時，這一不穩(wěn)定因素也就不再存在。因此，工程實際中，應合理選擇配合面的緊度、長度，防止配合面相對滑動，提高轉子穩(wěn)定性。

圖3 摩擦系數(shù)對轉子穩(wěn)定性的影響(ω=420 rad/s)Fig.3 Effects of friction coefficient on rotor stability

圖4 配合面長度對轉子穩(wěn)定性的影響(ω=420 rad/s)Fig.4 Effects of fitting surface length on rotor stability

表2 配合參數(shù)的影響Table 2 Effects of fitting parameters

3.2 阻尼的影響

圖6給出了轉速420 rad/s時外阻尼分別為50、100、200 N·s/m時的轉子響應。可見，當外阻尼為50、100 N·s/m時，振動響應幅值隨時間逐漸增加，轉子系統(tǒng)不穩(wěn)定；當外阻尼達到200 N·s/m時，轉子系統(tǒng)振動響應趨于穩(wěn)定。這表明，增加外阻尼能提高轉子失穩(wěn)門檻轉速，降低振動響應幅值，有效提高轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表3總結了阻尼對轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 結論

圖5 不同配合面緊度對轉子穩(wěn)定性的影響(ω=420 rad/s)Fig.5 Effects of fitting surface compactness on rotor stability

表3 阻尼的影響Table 3 Effects of damping

為研究圓柱面配合產(chǎn)生的內摩擦力對轉子穩(wěn)定性的影響，建立了轉子運動微分方程，解釋了圓柱面配合對轉子穩(wěn)定性的影響機理；通過直接積分中的Runge-Kutta法對轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行計算，分析了各參數(shù)對轉子穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結果表明：

(1)圓柱面過盈配合產(chǎn)生的內摩擦力可以等效為內阻尼力，內阻尼系數(shù)進一步分解出反對稱交叉剛度分量，引起轉子系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

(2)當圓柱面配合處存在內摩擦時，增加配合面的摩擦系數(shù)、長度和緊度會降低轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加外阻尼可提高轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)配合面的長度和緊度作為由圓柱面過盈配合引起的轉子失穩(wěn)振動中的重要因素，決定了轉子是否存在不穩(wěn)定因素；合理選擇配合面參數(shù)，可有效預防因結構阻尼引起的轉子失穩(wěn)振動。

圖6 阻尼對轉子穩(wěn)定性的影響(ω=420 rad/s)Fig.6 Effects of damping on rotor stability