轉子動力學

2023年12月14日發(作者：沙縣是哪個省的)

轉子動力學

什么是杰斐遜轉子，它的意義是什么?

答:轉子可以看作是一個安裝在失重彈性軸上的圓盤，軸的兩端由完全剛性的軸承和軸承座支撐。基于該模型的分析計算得到的概念和結論是轉子動力學的基礎。它可以準確地用于簡單的旋轉機械中，定性地解釋復雜的問題。

意義:通過對Jeffcott轉子的研究，發現當轉子超過臨界轉速時，轉子會自動對準，從而能夠穩定工作。這一結論大大提高了旋轉機械的功率和應用范圍。Jeffcott解釋了Jeffcott轉子的動態特性，指出在超臨界工況下轉子會自動對準。發現超臨界運行過程中會出現自激振動和不穩定，并確定其重要性。

轉子動力學主要研究那些問題？

答：轉子動力學是研究所有不旋轉機械轉子及其部件和結構有關的動力學特性,包括動態響應、振動、強度、疲勞、穩定性、可靠性、狀態監測、故障診斷和控制的學科。這門學科研究的主要范圍包括：轉子系統的動力學建模與分析計算方法；轉子系統的臨界轉速、振型不平衡響應；支承轉子的各類軸承的動力學特性；轉子系統的穩定性分析；轉子平衡技術；轉子系統的故障機理、動態特性、監測方法和診斷技術；密封動力學；轉子系統的非線性振動、分叉與混沌；轉子系統的電磁激勵與機電耦聯振動；轉子系統動態響應測試與分析技術；轉子系統振動與穩定性控制技術；轉子系統的線性與非線性設計技術與方法。

3轉子動力學發展過程中的主要轉折是什么？

答：第一篇有記載的有關轉子動力學的文章是1869年Rankine發表的題為“論旋轉軸的離心力”一文,這篇文章得出的“轉軸只能在一階臨界轉速以下穩定運轉”的結論使轉子的轉速一直限制在一階臨界以下。最簡單的轉子模型是由一根兩端剛支的無質量的軸和在其中部的圓盤組成的,這一今天仍在使用的被稱作Jeffcott轉子的模型最早是由Foppl在1895年提出的,之所以被稱作“Jeffcott”轉子是由于Jeffcott教授在1919年首先解釋了這一模型的轉子動力學特性。他指出在超臨界運行時,轉子會產生自動定心現象，因而可以穩定工作。這一結論使得旋轉機械的功率和使用范圍大大提高了，許多工作轉速超過臨界的渦輪機、壓縮機和泵等對工業革命起了很大的作用。但是隨之而來的一系列事故使人們發現轉子在超臨界運行達到某一轉速時會出現強烈的自激振動并造成失穩。這種不穩定現象首先被Newkirk發現是油膜軸承造成的,仍而確定了穩定性在轉子動力學分析中的重要地位。有關油膜軸承穩定性的兩篇重要的總結是由Newkirk和Lund寫出的,他們兩人也是轉子動力學研究的里程碑人物。

4石化企業主要有哪些旋轉機械，其基本工作原理是什么？

答：汽輪機，燃氣輪機，壓縮機，離心機，電動機

汽輪機：將蒸汽的熱能轉換成機械能的渦輪式機械。工作原理：在汽

輪機中，蒸汽在噴嘴中發生膨脹，壓力降低，速度增加，熱能轉變為動能。作用與功能：主要用作發電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽滿足生產和生活的供熱需要。

燃氣輪機：是一種以空氣及燃氣為介質，靠連續燃燒做功的旋轉式熱力發動機。主要結構由三部分：壓氣機，燃燒室，透平（動力渦輪）。作用與功能：以連續流動的氣體為工作介質，帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功。工作原理：壓氣機（即壓縮機）連續地仍大氣中吸入空氣幵將其壓縮；壓縮后的空氣迚入燃燒室，不噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹做功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。

壓縮機：將機械能轉變為氣體的能量，用來給氣體增壓與輸送氣體的機械。作用與功能：將原動機的機械能轉變為氣體的能量，用來給氣體增壓與輸送氣體。工作原理：空氣壓縮機的種類很多，按照工作原理可分為容積式壓縮機，往復式壓縮機，離心式壓縮機。容積式壓縮機的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內的氣體分子密度增加以提高壓縮空氣的壓力。離心壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度，使氣體分子具有的動能轉化為氣體的壓力能，仍而提高壓縮

空氣的壓力。往復式壓縮機（也稱活塞式壓縮機）的工作原理是直接壓縮氣體，當氣體達到一定壓力后排出。

離心機：離心機是利用離心力，分離液體與固體顆粒或液體與液體混合物中各組分的機械。作用與功能：離心機主要用于將懸浮液中的固體顆粒與液體分開；或將乳濁液中兩種密度不同，又互不相容的液體分開，它也可以用于排除濕固體中的液體。工作原理：有離心過濾和離心沉淀兩種。離心過濾是使懸浮液在離心力場下產生的離心壓力，作用在過濾介質上，使液體通過過濾介質成為濾液，而固體顆粒被截留在過濾介質表面，仍而實現液-固分離；離心沉降是利用懸浮液（或乳濁液）密度不同的各組分在離心力場中迅速沉降分層的原理，實現液-固（或液-液）分離。

發電機：將其他形式的能源轉換成電能的機械設備。作用與功能：由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核變產生的能量轉化為機械能傳給發電機，再由發電機轉換為電能。工作原理：其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。由軸承及端蓋將發電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁力線運動，仍而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。

5什么是橫向振動？

答：為了避開靜變形，可以考慮轉軸的兩支點在同一垂直線上，而圓盤位于水平面如下圖。圓盤以角速度Ω作等速轉動。當正常運轉時，轉軸是直的。如果在它的一側加一橫向沖擊，則因轉軸有彈性而發生彎曲振動，或圓盤作橫向振動。

6什么是渦動（進動），其頻率是多少？

答：轉軸在不平衡力矩作用下，發生撓曲變形，將產生兩種運動，一是轉軸繞其軸線的定軸轉動，一種是形的軸線繞其靜平衡位置的空間回轉；兩種運動的合成即是渦動。圓盤或轉軸中心在相互垂直的兩個方向作頻率同為ωn 的簡諧運動，一般情況下，兩個方向上的振幅不相等，所以圓盤軸心軌跡為一橢圓，軸心的這種運動是一種渦動或進動。自然頻率ωn 稱為進動角頻率。圓盤或轉軸中心的進動或渦動屬于自然振動，它的頻率就是圓盤沒有振動時，轉軸彎曲振動的自然頻率。

7什么是自動對心？

答：當軸心的響應頻率進大于圓盤偏心質量產生的激振力頻率時，圓盤的重心近似地落在固定中心，振動很小，轉動反而比較平穩。這種情況稱為自動對心。

8什么是臨界轉速？

答：轉子在某些特定的轉速下轉動時會發生很大的變形并引起共振，

引起共振時的轉速。數值上等于轉子固有頻率的轉速。

9什么是剛性軸和柔性軸？

答：如果機器的工作轉速小于臨界轉速，則轉軸稱為剛性軸；如果工作轉速高于臨界轉速，則轉軸稱為柔性軸。

10什么是幅頻響應曲線和相頻響應曲線？

答：振幅A 與位相差θ隨轉動角速度對固有頻率Ω/ωn 的比值改變的曲線，即幅頻響應曲線和相頻響應曲線。

11什么是陀螺效應？產生陀螺力矩的基本條件是什么？

答：陀螺效應就是旋轉的物體有保持其旋轉方向（旋轉軸的方向）的慣性。當圓盤不裝在兩支承的中點而偏于一邊時，高速旋轉的圓盤的自轉軸也就是圓盤的動量矩被迫不斷的改變方向，就會產生陀螺力矩，出現陀螺效應。只要高速旋轉部件的自轉軸在空間改變方向（即進動），就會產生陀螺力矩，出現陀螺效應。

12怎樣計算考慮陀螺力矩時轉子的臨界角速度？

陀螺力矩對進動角速度數目和幅值的影響是什么？

答：（1）計算轉子的臨界轉速時，需要列出圓盤的運動微分方程。求解這組齊次線性微分方程的特征根就可以得到轉子振動的自然頻率ωn，即進動角速度。因動量矩H=Jωn，故ωn 隨轉動角速度Ω改變。

另一方面，臨界角速度是與進動角速度相等的轉動角速度。因此可以按照Ω=ωn的條件來計算轉子的臨界角速度。（2）由于陀螺力矩，轉子有四個進動角速度。陀螺力矩對轉子臨界轉速的影響是：正進動時，它提高了臨界轉速；反進動時，它降低了臨界轉速。

13支撐剛度怎樣影響轉子的臨界角速度？

答：減小支承剛度可以使轉子的臨界角速度顯著降低，反而，增大支承剛度可以使轉子的臨界轉速升高。

14什么是收斂油楔、發散油楔？

答：順著軸頸轉向油膜厚度逐漸減小的油楔叫收斂油楔；厚度增加的叫做發散油楔。

15利用軸承的平衡半圓說明軸承的工作原理，并說明轉速和載荷對軸承穩定性的影響。

答：平衡半圓：對于一個確定的軸承，當潤滑油粘度及進油壓已給定時，軸頸中心的靜平衡位置e、ψ決定于軸頸轉速Ω和靜載荷ω 。當載荷ω的大小或者軸頸轉速Ω變化時，位置也相應地變化，其軌跡近似地為一半圓弧，稱為平衡半圓。