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1、第06期2017年06月機(jī)械設(shè)計(jì)與制造MachineryDesign&Manufacture189變剛度曲軸彎扭耦合振動分析張政,鄭建榮(華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200237)摘要:曲軸作為壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件,其振動形式復(fù)雜且相互耦合。針對曲軸旋轉(zhuǎn)時彎曲剛度不斷變化的特性,給出了變剛度的曲軸振動模型,推導(dǎo)了彎扭耦合振動的非線性微分方程組并應(yīng)用多尺度法求解。求解結(jié)果和曲軸實(shí)例分析表明,由于變剛度的影響,曲軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)振動發(fā)生更
2、大振幅的耦合振動。相比定剛度解,變剛度曲軸的軸心軌跡波動、彎曲振動振幅明顯增大。在扭轉(zhuǎn)振動主共振時,彎曲振動也出現(xiàn)較大振幅,忽略變剛度因素,將造成較大的誤差。關(guān)鍵詞:變剛度;曲軸;彎扭耦合:非線性振動;多尺度法中圖分類號:THl6;TH212;TH2133文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001—3997(2017)06—0189—05ResearchforBending——TorsionCouplingVibrationofaVariable
3、StiffnessCrankshaftSystemZHANGZheng,ZHENGJianrong(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnologyShanghai200237,China)Abstract:CrankshafthascomplexandinterrelatedvibrationformsConsideringt
4、hetimevaryingcharacteristicsofthecrankshaft’Sbendingstiffness,itputsforwardanvariablebendingstiffnesscylindermodelandaformuladynamicsequationsisdeducedandso如edbymultiplesct2fesmethodResultofthetheoreticalanalysisandexamp
5、lecalculationShowsthatvariablebendingstiffnesscrankshaftpossessesahigheramplitudeofbending—torsionvibrationandaxisor6缸Whentherotationalfrequencyequalsthenaturalfrequenciesofthebendingvibration,thebendingvibrationalsoappe
6、arbiggeramplitudeItwouldresultinlargeerrorswithoutvariablestiffnessKeyWords:VadableBendin邸tiffness;Crankshaft;BendingTorsionalCoupling;NonlinearVibration;MultiScaleMetllml1引言近年來,隨著壓縮機(jī)向高速化、巨型化發(fā)展,壓縮機(jī)曲軸的振動問題日益突出。曲軸在運(yùn)行過程中,振動
7、形式復(fù)雜且相互耦合,具有復(fù)雜的非線性動力學(xué)特性,容易引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定等多種振動問題,直接影響到整機(jī)的運(yùn)行安全。現(xiàn)有的曲軸振動分析多以定剛度和具有偏心質(zhì)量的Jeffcott轉(zhuǎn)子模型為基礎(chǔ),建立彎扭耦合振動方程,通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,研究曲軸振動問題【l_“。然而,曲軸在運(yùn)行過程中隨著轉(zhuǎn)角的變化,曲軸的彎曲剛度也隨之變化,定剛度的振動模型無法獲得變剛度對系統(tǒng)彎扭耦合振動的影響。建立了單曲拐變剛度系統(tǒng)動力學(xué)模型,據(jù)此展開研究。2變剛度曲軸彎扭
8、耦合振動模型曲拐為例,建立彎扭耦合振動模型,并推導(dǎo)振動微分方程組。對于多曲拐曲軸,需聯(lián)立單曲拐方程組。21曲軸幾何模型‘~J圖1曲軸單曲拐示意圖Fig1TheSchematicFigureofSingleCrank將曲拐簡化幾何模型,如圖1所示。在曲拐對稱位置設(shè)置截為了便于分析曲軸在變剛度下的彎扭耦合振動特性,以單面B。在B截面中,O(x,y)為軸段軸線與截面A交點(diǎn),0’(致,咒)來稿日期:2016—12—08基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金
9、資助項(xiàng)目(50905061);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011M500554);上海市引進(jìn)技術(shù)的吸收和創(chuàng)新計(jì)劃(產(chǎn)一30一方向一28)作者簡介:張政,(1988一),男,四川人,博士研究生,主要研究方向:數(shù)字化設(shè)計(jì)制造和系統(tǒng)仿真;鄭建榮,(1955一),男,上海人,博士研究生,博士研究生導(dǎo)師,教授,主要研究方向:數(shù)字化設(shè)計(jì)制造和系統(tǒng)仿真萬方數(shù)據(jù)No06June2017機(jī)械設(shè)計(jì)與制造191應(yīng)用多尺度法,引入時間變量疋=占“t(n=l,
10、2),設(shè)方程組的1階近似解為:并(瓦,五)=戈。(%,一)黜,(%,1)y(%,TI)=%(ro,7“1)町(瓦,t)臼(瓦,TI)=吼(死,T1)占口,(瓦,T1)代人式(7),并由兩邊s同次項(xiàng)系數(shù)相等可得偏微分方程組:0次項(xiàng):Do戈o(Ox戈o=0D。2%塒:Yo=0(8)Do包∞;諺=O1次項(xiàng):D:菇ln‘省l=2DoDl戈oel(D000g/)2cos一C。DoxoeID000singbKcos(ZQt)xo蜣cos(億)成yl
11、Ⅷ:Yl=2DoDlYoel(Do吼加)‘sinqbCDo%e。O;Oocos咖Ksin(2f2t)yofysl’n(n)(9)D:q甜:晚=一2DoDl00e2D2z算osinqb—CDOYo—e2D;%cos咖Mcos(億妒o)為消除久期項(xiàng),要求e。系數(shù)為零,分析上式可知,在1階近似的情況下,當(dāng)彎曲振動固有頻率與扭轉(zhuǎn)固有頻率相似時,會產(chǎn)生彎扭耦合共振即內(nèi)共振,反之則為非內(nèi)共振,下面分別進(jìn)行討論。32非內(nèi)共振分析當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動固有頻率遠(yuǎn)離
12、彎曲振動固有頻率時:D。2石。砌。2省。:[一(2De)泐。A;]e“~ccD。2y1哦2yl:[一(2Dlc。)泐,A,]e咄矗cc(10)D。2口1塒。2吼:[一(2Dlc1)泐。A。]e“~cc為消除久期項(xiàng),要求e“。系數(shù)為零,即:(2魯CA)她=o(2魯cay)咄=of2瓦dAtCtAtito,=o由上式可知,非內(nèi)共振J隋況下,系統(tǒng)一階振動與其派生系統(tǒng)振動情況相同,其非線性項(xiàng)對系統(tǒng)振動影響較小,變剛度因素對曲軸振動的影響可以忽略
13、。33內(nèi)共振分析當(dāng)曲軸彎曲振動固有頻率與扭轉(zhuǎn)固有頻率相近時,將會產(chǎn)生內(nèi)共振,以水平振動,垂直振動和扭轉(zhuǎn)振動同時發(fā)生共振的情況為例分析曲拐的耦合振動特陛。設(shè):∞爿弭占以,n,,—k聽,∞。;仇占仉代入方程組(10)得:D02省,蠢筇。:[一(2D,e)咄A。^e“r上9萬。K。。2虹。(2eI億c。s咖e?!?。sin6)%A。e‘‘q1珥]e峨毛ccD:y。∞:y,:[一(2D。c,)泐,Ay12f,e—q‘丁1A,巧e一地。(2e。O/
14、sin咖一e?!蕖。sqb)toA。e‘‘吒q氣吼cc2。砌。2,:[。:∞2AzCos幣ei(%o)Te2蠢A;sin6eDoO0COS(f)e“珥]e吼l∞I1=le2∞,A吐‘A;sin1‘。Je。“[一(2D。e)泐。A。歸e’‘慨]e叫。cc為消除久期項(xiàng),要求:(2可dAx州c;itox=砂1eurT十丁1百&。2毗(知,Oic。卻一e。珊。s1n咖)(EJ。A。e‘‘‘1圮(2等CAy)咄=砂ifyehrT1十丁1A,Ky
15、e也‘(知。Oisi啦一e?!?,c。s咖)∞。A,e‘‘q一’‘(11)(2酉dAt∽卜=,叱2A。sin咖e“一me:哆2A,c。如e“‘訓(xùn)‘爭夠e嵋‘慨將復(fù)函數(shù)A。,A,,A。寫為指數(shù)形式:A,(T1)=吱(正∥叫4,(t礙咚(1∥’A。(L)=q(I)e州Ⅲ代入方程組(11),分離實(shí)部和虛部得到常微分方程組:之=e吒一瓦12%mtCOS吼sin(”妒。)一擊eq∞蕊”。s(”妒)一互知si嬸。一古吒Ksin(2妒,)巍=一赤2%m
16、tCOS自O(shè)ICOS(”妒)一面1etq山;sincpsin(”一南sin”古刪n(2觀弓=爭q吩一瓦1F2e。qmsin妒2sin(鴨妒。)一之_e。qcc,cos吼cos(鴨妒:)一去一c。?。阂还藕乔蓅in(卻:)(12)匆一赤2e,qmsi嬸zc。s(”一2ccJlL,_qeq甜cos自02sin(”㈦一暑≯sin”古繹n(卻:)五=eq一乏1ie:吒∞;sin(仍妒。)互1ie:哆∞;sin(”剛一擊峰n鴨;。=一擊e:吃∞知
17、(%岬)麗1ez吸∞蕊(”妒)一赤Mcos鴨式中:妒。=一織一吒L,仍=以吒t妒2=一竹一巳I,%=夠吒瓦。方程有定常解,則要求二;一,=二;=;,=;,=茹。=o,代入方程組f1,、彳導(dǎo)到肯程綢f13、O=C。吼∞,一她eln∞fcos(plsin(q,391)一elato‘sintplcos(妒3妒1)tsinq)l一嘆Ksl‘n(卻1)O=20)axO“,2aelmIcos@lsin(自03岬lela%‘sin妒1cos(妒3妒1
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