转动机械的转子动力学设计前言

转子是各种转动机械中转动部件的力学通称。转子动力学是一门应用性学科，它研究转子的各种动力学特性和动力学现象，是转动机械动力学问题的核心内容。

转动机械在国民经济许多部门中应用十分广泛，而且也是不少制造部门的主要产品。我国在现代化过程中，特别是近三十多年，学习和追赶先进国家，转动机械制造水平有了极大的提高，应用领域也日益扩展。例如大型汽轮发电机组的装机量和产量都已经跃居世界前列，产品还出口到许多国家。转子动力学这一学科也伴随着得到了蓬勃发展。但是要看到，今天我们还不是转动机械自主研发的强国，特别是航空发动机、重型燃气轮机等高端转动机械的研发力量还很薄弱而且分散，制造水平还相当落后，这对于国民经济的发展、国防实力的增强有很大影响。可见，转动机械研发和制造还有许多艰巨的工作要做，转子动力学的理论研究和工程应用也有广阔的发展前景。

在转子动力学过去的发展过程中，本人有幸参与做了一些工作：在学校开设有关课程、编写教材、培养研究生，参与筹建专业学会，推进和开展国内外学术交流，同时积极与工厂和研究单位合作，承担国家和企业有关大型转动机械的设计和振动故障分析等工程课题，编制转子动力学计算程序等。

在这过程中，本人深感加强学术研究和工程应用之间联系的重要性，故在一生的教学和科研工作中一直努力地践行这一认识。1999年退休后，还数十次为工程技术人员开设讲座，普及转子动力学和转动机械监测和诊断等知识和技术，交流和探讨工矿企业中各种机械振动问题等。本人还注意到，国内有关转子动力学的书籍，主要是几本教材和专著，其内容的选编和论述的形式都不大适合于工程技术人员阅读。因此，一直想为工程技术人员写一本有关转子动力学的书籍，以填补此空缺。但由于种种原因，多年未能动笔。今天受到内外形势的推动，终于下决心完成了本书，以了却夙愿。

本书以多次讲座资料为基础，综合几十年来在教学和处理工程问题中积累的资料，以工程技术人员为主要读者对象，以普及转子动力学等相关知识，提高转子动力学设计水平为目的，以期在学术研究和工程应用之间搭建一座小桥梁。因此，本书适当设定阅读所需的知识门槛，在论述中尽量减少数学演绎，努力阐明物理概念，注重理论和方法的实际应用。随书还附有本人几十年使用、不断改进和完善的转子动力学计算程序包ROTDYN（练习版）以及许多算例，作为设计计算工具，供广大读者练习和使用参考。

本书名为“设计”，但是其主要内容是设计所涉及的基本知识和计算分析，这些仅是设计的重要环节，并不是设计工作的全部。许多设计问题难以用数学来表达，也不能靠计算来解决。对于设计工程师来说，与计算分析能力同样重要的还有相关的专业知识、实践经验，以及化解矛盾和权衡利弊的综合能力。后者要靠在长期工程实践中有意识地积累而成，非一本书所能提供。

本书第1章转子动力学的基本知识、第2章转子的平衡，这是设计者的基础知识。第6章转动机械的振动测试、第7章转动机械的状态监测与故障诊断，这是扩充知识。第3章转子动力学设计、第4章转子动力学的计算分析、第5章转子动力学有关的规范和标准，这是设计者主要工作内容。对于第4章中必须涉及的数学推演，读者可根据对计算方法的兴趣，或详读，或浏览。但其中精选的几个实例显示了转子动力学设计要求的多样性和相应的处理方法，这都是作者所亲历，颇具参考价值。第8章为ROTDYN程序包中各程序的功能和使用的概要介绍，内容摘录自各程序的说明书，印成纸面材料以便研读。本书各章内容基本上是独立的，读者可以根据需要选择阅读。

最后，本人衷心地感谢我的老师、同仁、朋友和家人。本书中涉及的知识和成果，都是在他们的指导、帮助、合作和支持下取得的。在收集整理有关资料和撰写本书稿时，眼前常常浮现出他们的身影和面容。只因人数众多无法在此逐一列出他们的姓名。

在本书编辑出版过程中，清华大学出版社等许多同志付出了辛勤的劳动，本人在此一并表示感谢。

限于本人的水平和能力，本书难免有缺点，甚至错误。欢迎读者和各界专家批评指正。

王正于北京清华园2014年12月初稿，2015年9月修改

本书为“十二五”国家重点图书项目。本书是一本理论水平先进、工程实用价值很大的转子动力学设计方面的著作。围绕旋转机械设计可靠性要求，系统深入地介绍了开展转子动力学设计的流程、基本知识、计算分析过程、评价规范和准则、设计软件与工具，同时结合转子系统的在线运行及健康管理，详细地介绍了转动机械的振动测试、状态检测及故障诊断。无论是内容的选编还是论述均注重学术研究与工程应用的联系，书中减少了大量繁杂的公式推导，突出了对物理问题及物理概念的阐释，在学术研究和工程应用间成功地搭起了一座桥梁。既可以让读者学到分析问题和处理问题的思维方法，又具有可操作性。对机械动力学领域的技术人员、有关高等院校和科技机构的课件人员有很好的参考价值，可成为转子动力学工程设计的“设计指南”。

本书全面系统讨论了转动机械的转子动力学设计问题，包括转子动力学的基础知识和相关的扩充知识、转子动力学设计的流程、计算分析方法以及有关的准则和标准，并用多个工程实例展示了转子动力学设计的多样性和相应的处理方法。随书还附有作者多年研制和使用的转子动力学计算程序包ROTDYN（练习版）以及计算实例，作为一个实用的设计计算工具，供广大读者练习和使用。本书是一本很实用的、有指导和参考价值的书籍。

本书的设定读者对象为机械、钢铁、能源、石化、交通以及航空、航天等部门从事转动机械设计、制造、运行和振动故障排除等工作的技术人员，也可供高等学校相关专业学生、研究单位的技术人员学习使用。

第1章转子动力学的基本知识

1.1转子动力学的发展及其内容

1.2转子的模态特性

1.2.1振动系统的模态

1.2.2转子的模态

1.2.3圆盘的转动惯量对转子模态的影响

1.2.4算例

1.2.5支承刚度对转子模态的影响

1.3转子的临界转速

1.3.1转子的临界转速

1.3.2轴系的临界转速和振型

1.4转子的不平衡响应

1.4.1单圆盘转子的幅频特性与相频特性

1.4.2同步正进动的特点

1.4.3不平衡响应的确定

1.5转子的稳定性

1.5.1自激振动的机理

1.5.2机组油膜失稳事故亲历

1.5.3油膜轴承的工作状态

1.5.4油膜轴承的失稳机理

1.5.5油膜失稳的过程，从油膜涡动到油膜振荡

1.5.6油膜失稳的治理

1.5.7其他一些失稳因素的分析

1.5.8自激振动与强迫振动的对比

参考文献

第2章转子的平衡

2.1转子不平衡的原因及其影响

2.2刚性转子与挠性转子

2.3刚性转子的平衡原理和平衡方法

2.3.1刚性转子的不平衡形式

2.3.2刚性转子的平衡原理

2.3.3平衡机平衡

2.3.4现场平衡

2.3.5现场平衡的方法——影响系数法

2.3.6刚性转子的平衡品质

2.4挠性转子的平衡原理和方法

2.4.1挠性转子不平衡的特点

2.4.2模态平衡法

2.4.3影响系数法

2.5实际挠性转子的平衡策略和评定准则

参考文献

第3章转子动力学设计

3.1转子动力学设计的意义和目标

3.2转子动力学设计的内容

3.3转子动力学设计的流程

3.4设计实例

3.4.1转子的基本数据和建模

3.4.2无阻尼固有频率和临界转速

3.4.3阻尼固有频率和临界转速

3.4.4不平衡响应计算与评价

3.4.5稳定性的补充计算

3.4.6不同轴承支承的转子的稳定性比较

3.5若干设计方法的讨论

3.5.1逆向设计

3.5.2相似设计

3.5.3转子设计的相似准则

参考文献

第4章转子动力学的计算分析

4.1转子动力学计算分析的特点

4.2转子支承系统的建模

4.3无阻尼转子系统的计算分析

4.3.1典型构件的传递矩阵

4.3.2Prohl传递矩阵法计算临界转速和振型

4.3.3Riccati传递矩阵法计算临界转速和振型

4.3.4Riccati传递矩阵法的奇点及其消除

4.3.5无阻尼转子系统的不平衡响应的计算

4.3.6实例1——空气压缩机的临界转速和临界负荷

4.3.7实例2——汽轮发电机组轴系的临界转速

4.3.8实例3——搅拌机轴的设计优化

4.4有阻尼转子系统的计算分析

4.4.1振动量的复数表示

4.4.2Riccati传递矩阵法计算固有频率和稳定性

4.4.3有阻尼转子系统的不平衡响应的计算

4.4.4实例4——高速离心机结构参数的优化

4.4.5实例5——提高200MW汽轮发电机组轴系的稳定性

4.5轴系扭转振动的计算分析

4.5.1扭转振动固有频率和振型的计算

4.5.2扭转振动瞬态响应的计算

4.5.3实例6——600MW汽轮发电机组轴系的扭转振动设计

4.6轴系各轴承安装标高及负荷分配

4.6.1轴系理想的安装状态

4.6.2轴系实际的安装状态及轴承标高的计算

4.6.3实例7——某燃气蒸汽轮发电机组轴系

各轴承安装标高的确定

4.7复杂转子系统动力特性的计算

4.7.1复杂转子系统的计算模型

4.7.2复杂转子系统动力特性的计算方法——双重传递矩阵法

4.7.3实例8——某航空发动机双转子系统的临界转速

参考文献

第5章转子动力学有关的规范和标准

5.1规范和标准的重要性

5.2与设计有关的规范

5.2.1关于转子的临界转速

5.2.2关于转子的平衡品质和不平衡响应

5.2.3关于转子系统的对数衰减率

5.2.4关于品质因子Q

5.2.5关于扭转振动

5.3与验收和运行有关的标准

5.3.1GB/T6075在非转动部件上测量和评价机器的机械振动

5.3.2GB/T11348旋转机械转轴径向振动的测量和评定

参考文献

第6章转动机械的振动测试

6.1振动测试在转动机械设计中的作用

6.2振动测量框图

6.3常用的几种振动测量传感器

6.3.1磁电速度传感器

6.3.2压电加速度传感器

6.3.3涡流位移传感器

6.4转动机器振动测点的布置和测量参数

6.5转动机械振动测试的几个特殊问题

6.5.1频率分析

6.5.2基频测量

6.5.3相位测量

6.5.4转速测量

6.6转动机械振动的图示

6.6.1定转速状态的图形

6.6.2变转速状态的图形

6.7与转动机械设计有关的振动试验

6.7.1试验模态分析

6.7.2转子固有频率的测定

6.7.3轴承座动刚度的测试

6.7.4轴承油膜动力系数的测定

参考文献

第7章转动机械的状态监测与故障诊断

7.1状态监测与故障诊断的作用和内容

7.2监测仪器系统

7.2.1监测仪器系统的分类

7.2.2监测仪器系统选用的原则

7.3故障诊断的方法介绍

7.3.1频谱分析法

7.3.2趋势分析法

参考文献

第8章转子动力学计算程序包ROTDYN介绍

8.1无阻尼转子系统动力计算程序TBROTOR

8.2有阻尼转子系统动力计算程序ROTSTB

8.3复杂转子系统动力计算程序SHAFTS

8.4转子扭转振动计算程序TORVIB

8.5转子平衡计算程序BALANCE

8.6轴系各轴承安装标高计算程序ROTLINE

8.7绘制平面图形程序DRAW2D

8.8绘制立体图形程序DRAW3D

名词索引

附光盘：转动机械的转子动力学设计计算程序包ROTDYN（练习版）2100433B

电机转子分为内转子转动方式和外转子转动方式两种。内转子转动方式为电机中间的芯体为旋转体，输出扭矩（指电动机）或者收入能量（指发电机）。外转子转动方式即以电机外体为旋转体，不同的方式方便了各种场合的应用。

研究目的：分析和综合两个方面，分析：研究现有的机械；

综合：设计新机械使之达到给定的运动学,动力学要求。