轉子穩定性研究綜述

韓彥龍

（承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北 承德 067000）

隨著汽輪機、航天發動機、壓縮機等大型旋轉機械的飛速發展，由于轉子失穩造成機毀人亡的事故時有發生。作為轉子動力學學科的一個重要分支，轉子穩定性研究致力于解決高速、柔性轉子的失穩問題。

1 轉子穩定性研究現狀

1924年，Newkirk將轉子運轉失穩現象進行過詳細描述[1]，近年來，日益改善的轉子性能也導致了更加嚴重的轉子失穩故障。

傳統的轉子穩定性分析將系統進行線性化處理，研究其特征值或運用Routh Hurwitz數據判別系統穩定性，這種方法會出現“雙穩態”。為此，基于非線性穩定性理論的“譜分析方法”，“能量法”等研究方法誕生了。計算機內存與計算速率的提高，為數值分析法判別與分析系統穩定性提供了便利。

王淼，方之楚分析了軸承位置和參數與穩定性的關系；夏松波等人把Poincare映射的思路和胞映射法巧妙的結合起來，創造性的提出了可用來分析高維的強非線性轉子系統整體穩定性的新數值分析方法——PCM法。

文獻建立了含非穩態與非線性的油膜力短軸承力學模型；陳予恕等人探索了湍流與滑動軸承油膜力之間的關系，得出了軸承油膜轉子系統運轉失穩機理；文獻采用快速Gale方法對非平衡滑動軸承系統做近似周期性運動的過程進行了數值模擬并得出系統穩定性規律；沐華平等人[11]研究油膜失穩時渦動極限環特性并提出了Hopf分岔法；Gardner M. 等人探索了平衡點失穩導致的超臨界和次臨界分叉現象；Russo M.和Brancati R.研究得出了湍流因素對系統同頻渦動的影響規律；劉恒等人運用PCM法對平衡態軸承轉子非線性系統做了詳細地全局的穩定性分析。

李朝峰創新性地采用有限單元法建立了復雜的含故障轉子——軸承系統模型，探索了各個單一故障以及耦合故障軸承轉子系統周期性運動的穩定性與分岔失穩變化規律，并深層次研究了各參數變化與轉子系統運行穩定性之間的關系。

Ishida等人探索了各軸承間隙之間存在的非線性與不對稱轉子系統不穩定區域之間的關系；Brancati等采用諧波平衡法詳細研究與分析了剛性轉子系統的穩定性；Kang等采用諧波平衡法求解得出系統穩態響應并確定系統臨界速度；袁小陽等人證實，打靶法可以用來有效的求解非線性系統周期解。

2 轉子失穩因素

導致轉子失穩的因素很多，可歸納為兩大類：一是由于轉子不對稱，轉子材料缺陷，轉子及其零部件制造及裝配誤差等造成的轉子系統運動不平衡；二是由于軸承油膜力，密封力，靜子和轉子的碰摩，轉軸材料彈粘性特性及轉軸結構阻力，轉子充液和轉子裂紋等造成的轉子系統外部激勵[。

3 展望

經過國內外學者幾十年的努力，轉子穩定性研究取得了許多突破性的進展。但由于旋轉機械工況復雜多變，影響穩定性的因素又多種多樣，穩定性研究尚需解決的主要問題有：含碰摩和裂紋故障的軸承——轉子系統失穩分析，考慮多轉子失穩因素的準確建模問題，非線性轉子系統的研究方法和全局穩定性穩定等。

［1］孟光.旋轉機械轉子動力學研究的回顧與展望［C］，//全國第六屆轉子動力學學術討論會論文集.2001：1-12.

［2］張淑芬，張彥斌，王彥生等.機械系統運動穩定性分析的Routh-Hurwitz法［ J］.河南科技大學學報（ 自然科學版），2004.

［3］高?，張新江，張勇等.非線性轉子動力學問題研究綜述［J］.東南大學學報(自然科學版)，2002，32（ 3）：443-451.

［4］王立國，胡超，黃文虎等.非線性轉子軸承系統的穩定性與分岔分析［ J］.昆明理工大學學報，2001.

［5］王淼，方之楚.基于穩定性的旋轉機械系統軸承配置方案的優化［ J］.振動與沖擊，2003，22（ 1）：50-52.

［6］夏松波，陳照波，焦映厚等.大型旋轉機械非線性動力學設計［C］.2003大型發電機組振動和轉子動力學學術會議論文集.2003.

［7］徐小峰，張文.一種非穩態油膜力模型下剛性轉子的分岔和混沌特性［ J］.振動工程學報，2000，13（ 2）：247-253.

［8］陳予恕，丁千，孟泉.非線性轉子的低頻振動失穩機理分析［J］.應用力學學報，1998，15（ 1）：113-117.

［9］張正松，沐華平.油膜失穩渦動極限環特性的Hf分叉分析法［J］.清華大學學報，1996，36（ 7）：30-35.

[10]劉恒，陳紹汀，非線性系統全局動態特性分析的PCM法及其在轉子軸承系統中的應用［ J］.應用力學學報，1995，12（ 3）：7-15.

[11]李朝峰.耦合故障復雜轉子-軸承非線性系統的運行穩定性及其實驗研究［ D］.東北大學，2009.

[12]袁小陽.軸系的穩定裕度、非線性振動和動力性能優化研究［D］.西安：西安交通大學博士學位論文，1994.

[13]張文.轉子動力學理論基礎［ M］.北京：科學出版社，1990.