轉(zhuǎn)子是各種轉(zhuǎn)動機(jī)械中轉(zhuǎn)動部件的力學(xué)通稱。轉(zhuǎn)子動力學(xué)是一門應(yīng)用性學(xué)科，它研究轉(zhuǎn)子的各種動力學(xué)特性和動力學(xué)現(xiàn)象，是轉(zhuǎn)動機(jī)械動力學(xué)問題的核心內(nèi)容。主要研究轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動、平衡和穩(wěn)定性的問題，尤其是研究接近或超過臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的橫向振動問題。轉(zhuǎn)子是渦輪機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)式機(jī)械中的主要旋轉(zhuǎn)部件。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究內(nèi)容主要有以下5個：

• 臨界轉(zhuǎn)速

• 通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)

• 動力響應(yīng)

• 動平衡

• 轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性

常用術(shù)語：

陀螺效應(yīng)——重力對高速旋轉(zhuǎn)中的陀螺產(chǎn)生的對支撐點(diǎn)的力矩不會使其發(fā)生傾倒，而發(fā)生小角度的進(jìn)動。此即陀螺效應(yīng)。一言以蔽之，就是物體轉(zhuǎn)動時的離心力會使自身保持平衡，重力的作用與離心力相比已變得不值一提了。大家如果玩過陀螺就會知道，陀螺在地上旋轉(zhuǎn)時軸會不斷地扭動，這就是進(jìn)動。 簡單來說，陀螺效應(yīng)就是旋轉(zhuǎn)的物體有保持其旋轉(zhuǎn)方向（旋轉(zhuǎn)軸的方向）的慣性。

渦動——轉(zhuǎn)子正常的旋轉(zhuǎn)也包含了渦動的概念。例如在不平衡力矩作用下，轉(zhuǎn)軸發(fā)生撓曲變形，轉(zhuǎn)軸一方面繞其自身軸線自轉(zhuǎn)，另一方面繞靜平衡位置公轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動實(shí)際上是兩種運(yùn)動的合成。一種是轉(zhuǎn)軸繞其軸線的定軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角速度就是旋轉(zhuǎn)速度w；另一種則是變形的軸線繞其靜平衡位置的空間回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角速度仍然是w，后一種的回轉(zhuǎn)運(yùn)動就是渦動。

臨界轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子各微段的質(zhì)心不可能嚴(yán)格處于回轉(zhuǎn)軸上，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，會出現(xiàn)橫向干擾，在某些轉(zhuǎn)速下還會引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動，出現(xiàn)這種情況時的轉(zhuǎn)速就是臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)時橫向振動的固有頻率相同，也就是說，臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的彈性和質(zhì)量分布等因素有關(guān)。對于具有有限個集中質(zhì)量的離散轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)目等于集中質(zhì)量的個數(shù)；對于質(zhì)量連續(xù)分布的彈性轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速有無窮多個。了解臨界轉(zhuǎn)速的目的在于設(shè)法讓壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，以免發(fā)生共振。通常，離心壓縮機(jī)軸的額定工作轉(zhuǎn)速n或者低于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，n1，或者介于一階臨界轉(zhuǎn)速n1與二階臨界轉(zhuǎn)速n2之間。前者稱作剛性軸，后者稱作柔性軸。

剛性軸要求： n ≤ 0.7n1;柔性軸要求： 1.3nl≤n≤0.7n2.

坎貝爾圖——就是監(jiān)測點(diǎn)的振動幅值作為轉(zhuǎn)速和頻率的函數(shù)，將整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子振動的全部分量的變化特征表示出來，在坎貝爾圖中橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表示頻率，其中強(qiáng)迫振動部分，即與轉(zhuǎn)速有關(guān)的頻率成分，呈現(xiàn)在以原點(diǎn)引出的射線上，振幅用圓圈來表示，圓圈直徑的大小表示信號幅值的大小，而自由振動部分則呈現(xiàn)在固定的頻率線上。

遠(yuǎn)端位移——Remote displacement 可以進(jìn)行位移和角度旋轉(zhuǎn)的同時加載；Remote displacement的作用原理為使用MPC接觸對進(jìn)行控制,即在remote displacement作用位置上產(chǎn)生接觸單元,作用點(diǎn)上產(chǎn)生一個控制功能的節(jié)點(diǎn),遠(yuǎn)端位移通過約束節(jié)點(diǎn),然后將約束的具體數(shù)值分配給作用位置上。

下面通過案例來一起學(xué)習(xí)一下ANSYS求解單盤轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

  

【案例】ANSYS求解單盤轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

【第一步】建立幾何模型如下圖所示；模型的建立不再贅述，為了優(yōu)化網(wǎng)格，將模型劃分為多個bady并放入同一個part里，同時將軸承位置的柱面切分出來；

【第二步】選中connections，右鍵選擇insert—bearing；

【第三步】軸承接觸設(shè)置;選擇軸承旋轉(zhuǎn)平面—定義軸承剛度—定義軸承阻尼—選擇軸承位置—定義為柔性行為；

【第四步】定義另一個軸承；

【第五步】網(wǎng)格劃分；由于已經(jīng)切分好，所有bady可掃略，故采用sweep method劃分網(wǎng)格；圓盤可通過映射面提高網(wǎng)格規(guī)整性；

【第六步】施加遠(yuǎn)端位移約束；故還需限制X向平動和繞X軸轉(zhuǎn)動；

同樣方法，施加另一個遠(yuǎn)端位移約束；

【第七步】求解選項(xiàng)設(shè)置；考慮阻尼;

【第八步】定義轉(zhuǎn)動角速度；

【第九步】添加坎貝爾圖；

【第十步】求解；

 

【第十一步】查看坎貝爾圖，可以獲取各階臨界轉(zhuǎn)速；

【第十二步】查看各階振型；

通過以上分析，完成了單盤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子動力學(xué)初步分析并獲取了轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速及其振型。