柔性转子-辅助支承系统过临界动力学特性研究

doi:10.3901/JME.2025.07.349

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (7): 349-360.doi: 10.3901/JME.2025.07.349

扫码分享

柔性转子-辅助支承系统过临界动力学特性研究

马新星^1,2, 张振果^1,2, 李坚³, 曹鹏³, 华宏星^1,2

1. 上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海 200240;
2. 上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室上海 200240;
3. 中国航发湖南动力机械研究所株洲 412000

收稿日期:2024-04-05 修回日期:2024-10-19 发布日期:2025-05-12
作者简介:马新星，男，1993年出生，博士后。主要研究方向为转子动力学及振动控制。E-mail：xinxingma@sjtu.edu.cn
张振果(通信作者)，男，1985年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为接触摩擦动力学及振动可靠性、智能结构/功能材料动力学与声振控制。E-mail：zzgjtx@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52405121，52241501，51975354)和直升机传动系统能力提升预研专项资助项目。

Study on the Overcritical Dynamic Characteristics of Flexible Rotor-auxiliary Support System

MA Xinxing^1,2, ZHANG Zhenguo^1,2, LI Jian³, CAO Peng³, HUA Hongxing^1,2

1. Institute of Vibration, Shock and Noise, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240;
2. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240;
3. AECC Hunan Aviation Power Plant Research Institute, Zhuzhou 412000

Received:2024-04-05 Revised:2024-10-19 Published:2025-05-12

摘要/Abstract

摘要： 直升机超临界尾传动水平轴系面临过临界共振问题，现有的限幅装置无法有效规避剧烈碰摩，可能导致传动轴系振动超限，亟需开展尾传动轴系新型限幅装置设计和过临界动力学特性分析。为此，设计了一种柔性轴系辅助支承，以Jeffcott转子-辅助支承为研究对象，根据有限元方法及接触理论分别建立系统动力学模型及转轴-缓冲环碰摩力模型。对不同参数下转子升速幅频响应进行了数值模拟，通过轴心轨迹、分岔图及三维频谱图分析了接触诱发的非线性动力学特性。开展了辅助支承原理样机设计，通过实验验证了辅助支承抑制转子过临界共振的有效性，最大振幅可降低70%以上。结果表明，所设计的辅助支承具有良好的振动抑制效果，其性能受到间隙、板簧刚度及接触刚度等参数影响，通过刚度切换机制，可以显著降低转子过临界幅值，该研究可为直升机尾传动轴系减振设计提供理论指导。

关键词: 转子动力学, 辅助支承, 振动抑制, 碰摩, 非线性

Abstract: The helicopter supercritical taildrive horizontal shaft system facing overcritical resonance problems, and the existing amplitude-limit device fails to effectively avoid the violent rubbing, which may lead to the vibration of the tail drive shaft exceeding the limit, and there is an urgent need to carry out the design of a new limiting device for the tail drive shaft system and the analysis of the overcritical dynamic characteristics. To this end, a flexible shaft auxiliary support is designed, and the Jeffcott rotor-auxiliary support is taken as the research object, and the system dynamics model and the shaft-snubber ring rubbing force model are established according to the finite element method and contact theory respectively. A numerical simulation of the amplitude-frequency response of the rotor run-up under different parameters is carried out, and the contact-induced nonlinear dynamics are analyzed through the shaft orbits, bifurcation diagram, and three-dimensional spectrogram. The principle prototype design of the auxiliary support is developed, and the effectiveness of the protection bearing in suppressing the rotor over-critical resonance is verified through experiments, and the maximum amplitude could be reduced by more than 70%. The results show that the designed auxiliary support has a good vibration suppression effect, and its performance is affected by parameters such as clearance, leaf spring stiffness, and contact stiffness, and the rotor over-critical amplitude can be significantly reduced through the stiffness switching mechanism, and the study can provide theoretical guidance for the design of helicopter tail drive shaft system vibration reduction.

Key words: rotordynamics, auxiliary support, vibration suppression, rubbing, nonlinear

中图分类号:

TB535
V231

马新星, 张振果, 李坚, 曹鹏, 华宏星. 柔性转子-辅助支承系统过临界动力学特性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 349-360.

MA Xinxing, ZHANG Zhenguo, LI Jian, CAO Peng, HUA Hongxing. Study on the Overcritical Dynamic Characteristics of Flexible Rotor-auxiliary Support System[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(7): 349-360.

参考文献

[1] 王宏华. 柔性转子振动主动控制研究现状[J]. 机械制造与自动化，2011，40(5)：1-5 WANG Honghua. Survey of the research on active vibration control of flexible rotor [J]. Machine Building & Automation，2011，40(5)：1-5
[2] 罗忠，王晋雯，韩清凯，等. 组合支承转子系统动力学的研究进展[J]. 机械工程学报，2021，57(7)：44-60. LUO Zhong，WANG Jinwen，HAN Qingkai，et al. Review on dynamics of the combined support-rotor system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(7)：44-60.
[3] 张力豪，何立东，陈钊，等. 整体式弹性环挤压油膜阻尼器结构设计与转子过临界实验研究[J]. 振动与冲击，2019，38(18)：72-78. ZHANG Lihao，HE Lidong，CHEN Zhao，et al. Structure design of an integral elastic ring squeeze film damper and experiments on the rotor passing through critical speed[J]. Journal of Vibration and Shock，2019，38(18)：72-78.
[4] 姚红良，曹焱博，张钦，等. 非线性能量阱在转子系统振动抑制中的应用[J]. 机械工程学报，2020，56(15)：191-197. YAO Hongliang，CAO Yanbo，ZHANG Qin，et al. Application of nonlinear energy sink for rotor system vibration suppression[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(15)：91-197.
[5] 黄秀金，何立东，邢健，等. 变频调谐质量阻尼器在线控制转子振动的应用研究[J]. 振动工程学报，2015，28(5)：778-784. HUANG Xiujin，HE Lidong，XING Jian，et al. Applied research on on-line control of rotor vibration with variable frequency tuned mass damper[J]. Journal of Vibration Engineering，2015，28(5)：778-784.
[6] CAO Y，YAO H，DOU J，et al. A multi-stable nonlinear energy sink for torsional vibration of the rotor system[J]. Nonlinear Dynamics，2022，110(2)：1253-1278.
[7] LIU J，ISHIDA Y. Vibration suppression of rotating machinery utilizing an automatic ball balancer and discontinuous spring characteristics[J]. Journal of Vibration and Acoustics，2009，131(4)：041004.
[8] ZHANG S，XING Y，XU H，et al. An experimental study on vibration suppression of adjustable elliptical journal bearing-rotor system in various vibration states[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2020，141：106477.
[9] SU Y，GU Y，KEOGH P S，et al. Shock-induced persistent contact and synchronous re-levitation control in an AMB-rotor system[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2022，163：108174.
[10] 戴兴建，董金平，张小章. 不平衡量对转子碰摩振动的影响[J]. 机械工程学报，2001，37(6)：90-93. DAI Xingjian，DONG Jinping，ZHANG Xiaozhang. Effects of unbalances on the rotor／stop rubbing[J]. Journal of Mechanical Engineering，2001，37(6)：90-93.
[11] DAI X，JIN Z，ZHANG X. Dynamic behavior of the full rotorstop rubbing: numerical simulation and experimental verification[J]. Journal of Sound and Vibration，2002，251(5)：807-822.
[12] 白宇杰，姜磊，杨璇，等.一种限位器高速转子系统的碰摩行为[J]. 噪声与振动控制，2018，38(5)：62-65. BAI Yujie，JIANG Lei，YANG Xuan，et al. Study on the rub-impact behaviour of a rotor system with stoppers[J]. Noise and Vibration Control，2018，38(5)：62-65.
[13] WANG D，SONG L，ZHU R，et al. Nonlinear dynamics and stability analysis of dry friction damper for supercritical transmission shaft[J]. Nonlinear Dynamics，2022：1-15.
[14] 王旦，宋立瑶，陈柏，等. 直升机超临界尾传动轴限幅减振器非线性动力学特性研究[J]. 振动工程学报，2023，36(3)：593-605. WANG Dan，SONG Liyao，CHEN Bai，et al. Nonlinear dynamics of a supercritical tail rotor drive shaft equipped with a hybrid damper[J]. Journal of Vibration Engineering，2023，36(3)：593-605.
[15] 朱益利，徐龙祥. 带弹性环保护轴承的动力学特性[J].机械工程学报，2011，47(21)：49-57. ZHU Yili，XU Longxiang. Dynamical analysis of catcher bearing with elastic ring[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(21)：49-57.
[16] ISHIDA Y，LIU J. Elimination of unstable ranges of rotors utilizing discontinuous spring characteristics: an asymmetrical shaft system, an asymmetrical rotor system, and a rotor system with liquid[J]. Journal of Vibration and Acoustics，2010，132(1)：011011.
[17] JOSEPH P C，HAMANEH V，WIERCIGROCH M. Modelling and experimental verification of an asymmetric Jeffcott rotor with radial clearance[J]. Journal of Sound and Vibration，2015(334)：86-97.
[18] LAHRIRI S，SANTOS I F. Experimental quantification of dynamic forces and shaft motion in two different types of backup bearings under several contact conditions[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2013，40(1)：301-321.
[19] FONSECA C A，WEBER H I. An experimental and theoretical approach of a pinned and a conventional ball bearing for active magnetic bearings[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2020，138：106541.

柔性转子-辅助支承系统过临界动力学特性研究

Study on the Overcritical Dynamic Characteristics of Flexible Rotor-auxiliary Support System

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	汪朋朋, 卢浩, 杨志强, 侯福宁, 郭士杰, 甘中学. 协作SCARA机器人关节综合动态摩擦辨识与补偿[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 325-337.
[2]	王法安, 杨全合, 殷国栋, 梁晋豪, 张兆国. 考虑时变状态参数的车辆纵-垂向运动矢量控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(4): 239-248.
[3]	裴雪武, 李新宇, 高亮, 高艺平, 陈志敏. 复合故障退化情形下基于自适应非线性状态估计的装备状态监测健康指标[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 119-129.
[4]	王晨飞, 王晓力, 郑辰. 超高速空气动静压轴承-转子系统不平衡量在线识别研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 337-346.
[5]	胡敏, 丘天祥, 吴喆, 刘睿, 曾亿山, 刘常海. 超高压高速斜盘式轴向柱塞变量泵配流副油膜抗倾覆润滑承载特性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 358-370.
[6]	刘瑞伟, 张碧峰, 范雅婷, 温兆麟, 肖体兵, 郭宏伟. 索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(1): 92-100.
[7]	张鹏, 蒋明宏, 李翁衡, 祝长生. 基于无模型自适应算法的主控式干摩擦阻尼器-双转子系统振动主动控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(1): 140-149.
[8]	和东平, 王涛, 刘元铭, 徐慧东, 王君, 王志华. 板带轧机振动理论研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 93-113.
[9]	梁玉, 陆国权, 梅云辉. 非线性电导调制SiC/环氧树脂绝缘涂层热氧/湿热老化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 207-217.
[10]	项载毓, 莫继良, 贺德强, 朱松, 翟财周, 杜利清. 基于三明治阻尼结构的高速列车制动摩擦振动噪声抑制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 196-208.
[11]	王淞立, 方续东, 高博楠, 赵立波, 田边, 林启敬, 张仲恺, 饶浩, 李瑜, 蒋庄德. 硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 82-91.
[12]	王波, 赵星宇, 权龙, 赵斌, 李运帷, 郝云晓. 基于主动压差调控的变增益流量控制原理[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 134-142.
[13]	王思清, 滕伟, 王罗, 刘宇, 彭迪康, 马志勇, 柳亦兵. 水平轴风电机组叶片摆振与挥舞机理建模[J]. 机械工程学报, 2024, 60(3): 131-142.
[14]	滕达, 刘志勇, 刘立帅, 项延训, 轩福贞. 疲劳裂纹扩展的非线性超声相控阵成像定位检测[J]. 机械工程学报, 2024, 60(24): 25-34.
[15]	梁栋, 张珺鹏, 姚福林, 宋轶民, 孙涛. 高速大承载Schönflies并联机构动力学建模、性能分析及控制策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 114-129.