第四章旋转机械的动力学特性
超高速旋转机械的动力学性能分析
超高速旋转机械的动力学性能分析超高速旋转机械在现代工业中扮演着重要的角色，如飞机涡轮发动机、离心压缩机等。
它们的功能与性能直接影响到机械设备的运行效果。
为了确保这些机械的安全可靠运行，对其动力学性能进行全面分析是必要的。
首先，超高速旋转机械的静不平衡问题是一个关键因素。
静不平衡是指质量分布不均匀，使得机械在旋转过程中产生和传播振动力的现象。
静不平衡会导致旋转机械的振动加剧，进而削弱结构强度，甚至引发机械的故障。
因此，要保证机械的动力学性能，必须对其静不平衡问题进行定位和校正。
其次，超高速旋转机械在高速运动过程中，会产生离心力和惯性力，对机械的结构和工作性能造成影响。
离心力会使机械产生变形和应力集中的问题，从而降低机械的强度和耐久性。
而惯性力则会对机械的运动状态产生冲击和扰动，进一步影响机械的稳定性和可靠性。
因此，在超高速旋转机械的设计和优化过程中，考虑离心力和惯性力对机械的影响是十分重要的。
此外，超高速旋转机械的动力学性能还受到气体动力学效应的影响。
由于机械的高速旋转，会产生较大的气体动压力和气动力矩，这对机械的稳定性和运行效果造成一定的挑战。
因此，在设计和制造超高速旋转机械时，需考虑气体动力学效应对机械的影响，并通过合理的结构和控制手段予以解决。
另外，超高速旋转机械的动力学性能也涉及到机械的轴承和润滑系统。
在高速旋转过程中，轴承要承受较大的径向力和轴向力，其摩擦、磨损和热量产生会导致机械的能量损耗和系统效率的降低。
同时，润滑系统的设计和运行状态对机械的摩擦、冷却和清洁起着至关重要的作用。
因此，对超高速旋转机械的轴承和润滑系统进行动力学性能分析，并进行有效的设计与优化，对提高机械的工作效率和可靠性具有重要意义。
综上所述，超高速旋转机械的动力学性能分析是现代工业中的一个重要研究方向。
通过对静不平衡问题、离心力和惯性力、气体动力学效应以及轴承和润滑系统的分析，可以有效提高机械的工作效率和可靠性，确保其安全稳定地运行。
旋转流体流动的动力学特性
旋转流体流动的动力学特性引言流体流动是自然界和工程中的普遍现象，在很多领域中都有重要的应用。
旋转流体流动是一种特殊的流动形式，它在天气系统、航空航天、石油勘探等领域发挥着重要作用。
了解旋转流体流动的动力学特性对于优化设计和预测流体行为具有重要意义。
本文将系统地介绍旋转流体流动的动力学特性。
首先，我们将概述旋转流体流动的基本原理和方程。
然后，我们将探讨旋转流体流动的稳态和非稳态特性。
最后，我们将讨论旋转流体流动中的一些重要问题和应用。
旋转流体流动的基本原理与方程旋转流体流动是指流体围绕一个旋转中心进行流动的现象。
在旋转流体流动中，旋转中心可以是实体物体，也可以是流体本身的某个局部区域。
旋转流体流动的基本原理可以通过Navier-Stokes方程来描述。
Navier-Stokes方程是描述流体运动的基本方程，它基于质量守恒和动量守恒的原理。
在旋转流体流动中，Navier-Stokes方程还需要考虑旋转力。
旋转流体流动的基本方程如下：质量守恒方程：$$\\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0$$其中，$\\rho$是流体密度，$\\mathbf{v}$是流体速度。
动量守恒方程：$$\\frac{{\\partial \\mathbf{v}}}{{\\partial t}} + \\mathbf{v} \\cdot \ abla\\mathbf{v} = - \\frac{1}{\\rho} \ abla p + \\mathbf{g} +\\mathbf{f}_{\\text{rot}}$$其中，p是压强，$\\mathbf{g}$是重力加速度，$\\mathbf{f}_{\\text{rot}}$是旋转力。
旋转力的表达式可以通过向量叉乘得到：$$\\mathbf{f}_{\\text{rot}} = 2m \\rho \\boldsymbol{\\omega} \\times\\mathbf{v}$$其中，m是涡动量修正因子，$\\boldsymbol{\\omega}$是旋转速度。
第四章__机器人动力学ppt课件
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pi 0i0j0k
§ 4.2 机械手动力学方程
n
Dij Tra(TcpepjIppiTpT) pmai,xj
n
mp piTkppjpdi•pdjprp(pdipjpdjpj)
pmai,xj
其中 kp
kkp2p2xxxy
kp2xz
kp2xy k2
pyy
力矩T1和T2的动力学表达式的一般形式和矩阵表达式为： T 1 D 1 1 1 D 1 2 D 1 1 1 2 1 D 1 2 2 2 2 D 1 1 1 2 2 D 1 2 2 1 1 D 1 （4.1-8) T 2 D 2 1 1 D 2 2 D 2 1 1 2 1 D 2 2 2 2 2 D 2 1 1 2 2 D 2 2 2 1 1 D 2 （4.1-9)
n
D i i m pp i 2 T x k p 2 x p i 2 x T y k p 2 y p i 2 y T z k p 2 zp d z i • p d i 2 p r p • ( p d i p i)
p m i ,jax
如果为旋转关节
n
D i i m p n 2 p T k p 2 x o x 2 p T k x p 2 y a y 2 p T k y p 2 z z p p • z p p 2 p r p • ( p p • n p ) i ( p p • o p ) j ( p p • a p ) k
惯量项和重力项在机器人的控制中特别重要，它们影响到系统的稳定性 和定位精度。向心力和哥氏力仅当机器人高速运动时才有意义。
§ 4.2 机械手动力学方程
4.2.2 动力学方程的简化
1 惯量项Dij的简化
转动的动力学
角速度：描述物体转动快慢的物理量
角加速度：描述物体转动速度变化快慢的物理量
扭矩和力矩
扭矩：描述转动力的大小，单位为牛顿米（Nm）
力矩：描述转动力的作用效果，单位为牛顿米（Nm）
扭矩与力矩的区别：扭矩是力与力臂的乘积，而力矩是力与转动中心的距离的乘积
扭矩和力矩在转动力学中的重要性：是描述旋转运动的重要物理量，对于理解旋转机械的工作原理和性能至关重要
转动方程：描述物体转动状态的数学方程
角动量定理和角动量守恒定律
角动量定理：描述转动物体的角动量与力矩之间的关系，即角动量等于力矩乘以时间。
角动量守恒定律：在没有外力矩作用的情况下，转动物体的角动量保持不变。
扭矩与转动方程的关系
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扭矩的大小决定了转动的速度和方向。
扭矩是转动动力的来源，与转动方程中的参数相关。
20世纪后期，随着计算机技术和数值计算方法的进步，转动力学的研究方法和手段得到了极大的丰富和发展。
20世纪初，转动力学开始受到重视，研究者开始研究旋转体的运动规律和稳定性问题。
20世纪中期，随着航空工业和航天工业的发展，转动力学逐渐成为一门独立的学科，并广泛应用于旋转机械的设计和研究中。
进入21世纪，转动力学的研究领域不断扩大，涉及到能源、化工、交通、医疗等多个领域，为人类社会的进步和发展做出了重要贡献。
转动动能和转动势能
转动的动力学方程
牛顿第二定律在转动中的应用
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公式：F=ma=Iβ，其中F表示力矩，m表示质量，a表示加速度，I表示转动惯量，β表示角加速度。
定义：牛顿第二定律在转动中的应用是指物体在转动过程中所受的力与转动惯量之间的关系。
旋转机械动力学特性研究
旋转机械动力学特性研究旋转机械动力学特性研究引言：旋转机械是指在工业生产中，通过转动来完成工作任务的机械设备。
其动力学特性研究是为了深入了解旋转机械的运行过程，提高其性能和效率。
本文将就旋转机械的动力学特性研究进行探讨。
主体：1. 动力学分析旋转机械的动力学分析是研究旋转机械在运行过程中的受力、振动和变形等问题。
通过对旋转机械的结构进行有限元分析，可以获取其受力分布情况，找出潜在的弱点，进而提出改进建议。
同时，通过振动分析可以确定旋转机械的固有频率和共振现象，从而避免设备在共振状态下的运行，降低设备的损坏风险。
2. 动力学模型建立建立旋转机械的动力学模型是研究其运动学和动力学特性的重要手段。
通过建立旋转机械的数学模型，可以得到机械系统的运动方程和力学特性，为进一步的分析和仿真提供基础。
常用的建模方法包括拉格朗日方程、哈密尔顿原理等。
通过建模分析，可以优化旋转机械的结构和参数，提高其运行效果和稳定性。
3. 动力学特性优化在旋转机械的设计和制造过程中，优化其动力学特性是提高旋转机械性能的关键。
通过改变机械的结构和参数，可以减小其振动和噪声，提高其工作精度和稳定性。
例如，通过增加降噪装置、改变轴承结构和材料，可以降低旋转机械的噪声水平；通过优化机械的结构和减小动件质量，可以提高机械的动态响应速度。
4. 动力学特性测试与监测为了验证理论模型的准确性和机械系统的动力学特性，需要进行动力学测试与监测。
通过在旋转机械上安装传感器，可以实时监测其受力、振动和变形等情况。
同时，利用试验台和数据采集系统，可以获取旋转机械的实际工作状态和性能指标，进一步优化其设计和运行参数。
结论：旋转机械动力学特性研究在提高机械性能和效率方面起着重要的作用。
通过动力学分析、模型建立、特性优化和测试监测等手段，可以深入了解机械系统的受力、振动和变形特性，优化机械的设计和制造，从而提高其工作效果和稳定性。
未来，随着科技的不断进步，旋转机械动力学特性研究将进一步发展，并为工业生产提供更先进的旋转机械设备。
旋转体的概念
旋转体的对称 轴数量：旋转 体可以有多个 对称轴，但只 有一个主对称
轴。
旋转体的对称 性分类：根据 旋转体的几何 特性，可以分 为轴对称、中 心对称、旋转 对称等类型。
04
旋转体的物理特性
旋转体的转动惯量
定义：物体转动惯量是指物体转动时，惯性大小的量度 计算公式：I=mr^2，其中m是质量，r是质点到旋转轴的距离 物理意义：转动惯量是描述旋转体转动状态的物理量，与旋转体的质量和形状等因素有关 应用：在物理学、工程学等领域中，转动惯量是研究旋转体运动规律的重要参数
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测量技术：采用高精度测量仪器， 对旋转体的各项参数进行测量， 以评估其性能和精度。
数据处理：对实验数据进行处理 和分析，提取有用的信息，进一 步验证旋转体的性能和仿真结果 的可靠性。
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05
旋转体的动力学特 性
旋转体的动力学方程
旋转体的动力学 方程是描述旋转 体运动状态的重 要公式，由牛顿 第二定律推导而 来。
旋转体的动力学 方程包括角动量 守恒定律和角动 量定理，它们描 述了旋转体的转 动惯量、力矩和 角速度之间的关 系。
旋转体的动力学 方程还包括科里 奥利力和离心力 等效应，这些效 应在高速旋转或 非惯性参考系中 尤为重要。
航空航天：旋转体的 应用也涉及到航空航 天领域，如飞机的螺 旋桨、直升机的旋翼 等。
交通运输：旋转体的 应用还涉及到交通运 输领域，如汽车的轮 胎、火车的车轮等。
日常生活：旋转体 的应用也涉及到我 们的日常生活，如 电风扇的叶片、洗 衣机的工作原理等。
03
旋转体的几何特性
旋转体的几何描述
旋转体的定义：由一个平面图形绕该平面内的一条直线旋转一周形成的立体 旋转体的轴：旋转时所围绕的那条直线 旋转体的面：由旋转体上任意一点与旋转轴构成的平面 旋转体的体积：由旋转体的几何特性所决定的立体体积
旋转机械动力学研究
旋转机械动力学研究旋转机械是工业生产中常用的一种机械设备，例如电机、汽轮机、风机、离心泵等，其主要特点是由旋转部件构成。
旋转机械的负载是多变的，例如转速、轴向、径向和温度等参数的变化都可能对其产生影响，因此了解和研究旋转机械动力学成为了至关重要的任务。
旋转机械动力学是研究旋转机械运动和振动的学科，其目的是探讨各种载荷条件下旋转机械系统的性能、稳定性和可靠性。
旋转机械动力学研究包括旋转轴系统的振动、磨损、噪音、疲劳和机械失效等问题，可用于预测和改进旋转机械的性能。
旋转机械动力学中的重要参数旋转机械动力学中的重要参数包括转速、质量、距离和时间等。
转速是旋转机械最基本的参数之一，其大小决定了机械设备的工作效率和加工能力。
质量是指机械设备包括各种组成部分的总重量，其大小直接影响到机械的运动和振动状况。
距离是旋转机械动力学中的一个重要参数，它影响着旋转体的动态特性和运动稳定性。
时间是旋转机械动力学的基本量，时间的概念与旋转机械的运动过程密切相关。
在旋转机械的运动过程中，时间是确定旋转速度、加速度和位移等物理量的基本参数之一。
旋转机械动力学研究的目的和意义旋转机械动力学研究旨在解决旋转机械的振动、噪声、磨损和故障等问题，提高旋转机械的性能和可靠性。
经过艰苦的研究，我们可以对旋转机械的工作原理、运动特性和振动行为有更深入的认识，并且可以开发出更先进、更稳定和更安全的机械设备。
在工业领域中，旋转机械设备的发展已经变得越来越快速。
各类制造厂商在竞争过程中追求高速、精密、环保和稳定的机械设备，对于旋转机械动力学研究提出了高要求。
通过深入了解旋转机械动力学，我们可以设计出更加高效和经济的机械设备，提高其安全性和可靠性。
此外，旋转机械动力学研究的成果在军事和民用领域中也具有重要意义，例如拉练器、机翼伺服系统、空气动力学和导弹控制等。
旋转机械动力学研究常见的方法旋转机械动力学研究通常采用数值计算和实验方法，如有限元分析、模态试验和频响函数试验等。
旋转机械的动力学特性本章内容课件
自激振动
03
由旋转机械自身产生的激励引起的振动，如油膜振荡、汽流激
振等。
旋转机械的稳定性分析
稳定性判据
根据旋转机械的振动特性，判断其稳定性的指标，如幅值和频率 。
不稳定现象
旋转机械在不稳定状态下会出现诸如大幅度振荡、噪声等问题。
稳定性改善
针对不稳定现象采取相应措施，如调整刚度、优化结构设计等， 以提高旋转机械的稳定性。
基于动力学特性的设计原则， 选择合适的旋转机械类型和结
构
设计和制造过程中要考虑材料 、加工精度、润滑和防护等因
素
对旋转机械进行动力学分析， 预测其性能和可靠性
旋转机械的优化目标与策略
提高旋转机械的性能和 效率
延长旋转机械的使用寿 命和降低维护成本
01
02
03
优化旋转机械的结构设 计和制造工艺，降低制 造成本和提高质量
04
通过动力学优化，提高 旋转机械的稳定性和可 靠性
旋转机械的优化实例分析
针对特定应用场景的旋转机械进行优化设计，如 风力发电机组、工业泵和压缩机等
对旋转机械的关键部件进行优化设计，如转子、 轴承和密封件等
通过有限元分析、动力学仿真和其他数值方法对 旋转机械进行优化分析，提高其性能和质量
05
总结与展望
旋转机械的应用范围
01
02
03
电力工业
旋转发电机和电动机广泛 应用于电力工业中，将电 能转换为机械能或反之。
石油化工
旋转压缩机和离心机用于 气体压缩、分离和液化等 工艺过程。
航空航天
涡轮机和喷气发动机是航 空航天领域中的重要动力 装置。
旋转机械的基本组成
转子
旋转机械的核心部件，由转轴和安装在轴上 的转动件组成，负责实现旋转运动。
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第四章旋转机械的动力学特性机械系统动力学
第四章旋转机械的动力学特性
旋转机械
的
动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性第四章第四章转子动力学的任务和内容
第四章临界转速critical speed
第四章转子系统临界转速的概念
中经过某一转速附近时，支撑系统经常会发生剧烈振动
第四章旋转机械的动力学特性
由于材料、工艺等因素使圆盘的质心偏离轴线，偏心距为e 。
当转子以等角速度ω自转时，偏心引起的离心惯性力将使轴弯曲，产生动挠度。
转子的临界转速
第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性第四章旋转机械的动力学特性
第四章旋转机械的动力学特性
可见，这时质心的坐标为（0，0）。
质心C 与旋转中心O 1重合，圆盘和弯曲的轴都绕着质心C 旋转。
自动定心现象
第四章旋转机械的动力学特性
第四章转机械的动力学特性
单转子的临界转速和振型
多自由度转子有多个临界转速和相应的振型
第四章支承刚度对临界转速的影响
支承刚度对临界转速的影响，在不同支承刚度范围内是很不同的。
第四章学特回转效应对临界转速的影响
回转效应是旋转物体惯性的表现，它增加轴此圆盘轴线方向不变，没有回转效应
此圆盘轴线方向变化，回转效应增加轴的刚性
第四章械的动力学特性
高压转子中压转子低压转子发电机转子
多跨转子轴系由高压转子、中压转子、低压转子和发电机转子组成。
全长30余米，共。
第四章力学特多转子轴系的临界转速和振型
200MW 高压转子中压转子
低压转子
发电机转子
轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用第四章旋转机械的动力学特性
多转子轴系的固有频率和振型
第四章200MW 汽轮发电机组轴系
第四章第四章转子的不平衡响应
对不平衡不敏感。
不敏感转子
阻尼小阻尼大第四章转子的稳定性stability
对称
第四章旋转机械的动力学特性
产生的稳定的周期性振动,叫自激振动。
第四章械的动力学特性自振系统的组成
(1) 振动系统（2）非振荡能源（3）调节系统
要外界能量供给，以补充由于不可避免的阻尼所造成能量耗第四章自激振动发生的两个条件：
第四章点是平衡点，但该系统是在原点附近的不稳定性，当有微小扰动，稍稍偏离0点，便立即迫使状态最后振动稳定在红线圆圈上。
第四章旋转机械的动力学特性
图中所描述的系统，要求激发振动的扰动具有一定
大小，其幅度需超过图中的绿线圈，才能激起自行上升的振动，最后，振动稳定在红线圈上。
此情况称为“硬自激振动”其中绿线圈的半径称为激振“阈值”。
图（a ）情况称为“软自激振动”
第四章自激振动现象和特点
第四章旋转机械的动力学特性
0v ()u v f u 相对=静位移
常数磨擦力相对⇒==umg v v 0
()()b b &umg u x
v v t x ⇒⇒−=0,相对df ax
=&()0=+−+kx x a c x
m &&&自激振动的基本概念
当系统质量安放在以等速运动皮带上，受到来自皮带磨擦力作用，一定条件下，系统可能产生自激振动。
磨擦系数与质量块和皮带间相对速度有关ⅰ无振动：
ⅱ受扰动产生振动
设磨擦力变化量
（与振动速度成正比）
第四章m 自激振动。
m
k
n =ω与初始条件有关
ϕ,A [6-2]
第四章自激振动主要特征：
●第四章自激振动主要特征：
●第四章自激振动主要特征：
第四章自激振动主要特征：
第四章强迫振动和自激振动的比较
第四章强迫振动和自激振动的比较
第四章自激振动的机理
第四章结果
自激振动实例－荡秋千
摆动
第四章旋转机械的动力学特性
风致自激振动
美国Tacoma 吊桥的垮塌(1940年)
第四章旋转机械的动力学特性
挠性转子的振动现象
一、刚性转子在弹性支承上的振动
第四章取质心S 的位移y s ，绕质心S 的转角为广
义坐标。
系统的运动方程：θ
第四章若该转子结构对称，即K 1=K 2=K ，L 1=L 2=L ，运动方程可简化为：
第四章2cos hmr t ωωθω⎪⎨⎪=第四章二、挠性转子在刚性支承上的振动
下图为一细长轴，尺寸如图
6210/,K K N cm ==1设支承的刚度系数 第四章若转子无弯曲变形，临界转速很高。
这是支承刚度相对第四章运转转速在一阶临界速度以上的转子，叫做挠性第四章三、挠性转子在弹性支承上的振动
第四章挠性转子的动平衡：
第四章挠性不平衡和刚性不平衡的主要不同点：第四章旋转机械的动力The End。