裂纹盘式拉杆组合转子轴承系统动力学研究

盘式拉杆组合转子轴承系统因其重量轻、易装配、冷却性能良好，而被广泛应用于燃气轮机，航空发动机等重要工业及国防装备中；裂纹作为旋转机械的一种典型故障形式，一旦出现常造成重大安全事故和经济损失，开展此类故障拉杆组合转子系统的动力特性研究，预防裂纹故障发生和加剧，对确保设备可靠运行，降低经济损失有重要意义。在本基金项目大力资助和支持下，分别从理论，仿真，实验三方面探究了含裂纹盘式拉杆组合转子轴承系统动力特性，首先分别建立了一维滑动和滚动轴承支承的盘式拉杆组合转子系统方程，搭建了动力仿真分析计算程序，考察了转速，不平衡量，裂纹深度等系统参数对系统动力特性的影响，一维滑动轴承裂纹系统的稳定性曲线发生偏移，在一临界转速附近出现双共振峰点，振动幅值和频率成分均发生变化，而一维滚动轴承非线性动力特性更加复杂多样；其次重点研究了三维拉杆裂纹建模方法，建立了三维含裂纹盘式拉杆组合转子系统有限元模型和三维裂纹系统动力方程，搭建了三维动力仿真分析程序，分析了裂纹对系统应力分布的影响，裂纹前缘应力强度因子变化规律，裂纹扩展引起的初始弯曲效应，研究了三维裂纹组合转子系统的动力特性，相比无裂纹系统，振动幅值增大及频率成分变化是裂纹转子系统的重要特征；初步形成裂纹盘式拉杆组合转子系统应力和动力联合分析方法；考察了典型加工缺陷对拉杆组合转子动力特性的影响；此外，设计并建立了裂纹盘式拉杆组合转子系统实验台，并进行了相关动力实验，实验表明振动加剧是裂纹转子系统的重要特征之一。相关研究可为解决此类组合转子系统裂纹缺陷的发现、抑制提供理论依据，为相关动力装备现场故障监测及安全运行提供一定的理论指导和工程参考，因而具有十分重要的理论和现实意义。资助期间发表及录用论文共15篇（其中SCI-13篇，EI-2篇），申请专利4项（授权1项，实质审查3项）；培养硕士或博士研究生共计10名；赴美国，日本等地参与国内外学术交流9人次。

针对盘式拉杆转子大预紧力造成其裂纹形态复杂、开状态占优的特点，直接在盘式拉杆转子动力应力模型中建立三维裂纹，发展裂纹拉杆组合转子的应力及动力联合分析方法；不同于一般转子仅考虑裂纹造成转轴刚度降低对系统动力学的影响，重点研究裂纹通过改变拉杆组合转子应力分布造成拉杆及接触界面等关键动力部件参数重构，及其对系统动力学的影响规律和特殊机制；进而结合断裂力学中的裂纹扩展追踪方法，研究并掌握拉杆组合转子上裂纹扩展及其对系统动力学的影响规律。最终提供可用于此类复杂转子轴承系统裂纹缺陷分析判别的动力学分析方法和技术，并加以实验验证，为解决此处裂纹缺陷的发现、避免和抑制提供理论依据，因而具有十分重要的理论和现实意义。项目的意义还在于通过引入裂纹转子轴承系统三维应力动力非线性数值分析方法的研究，突破了目前裂纹转子动力学研究难以应用于实际复杂转子的瓶颈，从而提高我国对复杂转子轴承系统的认识和设计水平。

燃气轮机是一种高温、高压燃气推动旋转机械，具有高效、洁净、安全等特性。作为当前重型燃机转子的主要结构形式，组合式拉杆转子具有重量轻、冷却好、易装配以及轮盘材料选择灵活等优点。周向拉杆转子作为最常用的组合式拉杆转子，各轮盘需要通过拉杆预紧组合而成，拉杆结构形式、预紧力选取、凸肩布置方式等会对转子整体动力学特性产生较大影响。凸肩作为燃气轮机周向拉杆上的重要结构，其主要作用是在燃气轮机旋转时保持与轮盘接触，防止拉杆弯曲变形过大或振动过于剧烈。

计算分析不同拉杆凸肩与拉杆孔静态安装间隙量、不同拉杆凸肩跨距下，周向拉杆转子拉杆最大应力值随转速的变化，得到主要结论如下：

(1)拉杆凸肩与拉杆孔的静态安装间隙量不影响拉杆在正常工作状态下的应力，但影响转子升速时拉杆最大应力；

(2)随着转速升高，存在周向拉杆转子拉杆最大应力值变化规律各不相同的低中高3个转速区域，其根本原因是拉杆凸肩和拉杆孔的接触状态的影响；

(3)增加凸肩、减小凸肩跨距能够有效减小拉杆最大应力，与不等距方案相比，等距增加拉杆凸肩的改进方案具有更显著的降低应力效果，相对凸肩跨距系数小于0．6时继续减小凸肩跨距，降低应力效果不明显。

三排滚子组合转盘轴承

三排圆柱滚子组合转盘轴承同时承受轴向载荷、倾覆力矩和径向载荷。与交叉圆柱滚子转盘轴承相比减少了每个滚子的载荷，与双排异径球转盘轴承相比由点接触改为线接触，降低了接触应力，因此，在相同外形尺寸条件下其承载能力是最高的轴承。该结构的轴向载荷和径向载荷分别由不同滚子承受，其中轴向载荷和倾覆力矩由轴线水平放置的两组滚子承受，径向载荷由轴线垂直放置的一组滚子承受。不同的滚道和滚子承受，所以在同等受力条件下，轴承的直径可大大缩小，因而使主机更紧凑，是一种高承载能力的转盘轴承。

三排圆柱滚子组合转盘轴承主要由内圈、外圈、三排滚子、保持架（隔离块）、密封装置等零件组成。

按照齿结构分，可以分为无齿、内齿、外齿三种结构。

该结构轴承适用于大轴向载荷和倾覆力矩、有较大径向载荷、摩擦力矩要求不高的场合。保持架根据使用场合不同，材料一般有尼龙隔离快、尼龙分段保持架、铝合金保持架分段钢保持架和黄铜保持架。

应用领域：

广泛用于堆取料机，超重运输机械，港口起重机、钢包回转台、盾构机等应用领域。2100433B