转子动力学——旋转机械的动力学特性教学教材
转子动力学
转子动力学是固体力学的一个分支。
本文主要研究转子支承系统在旋转状态下的振动，平衡和稳定性，特别是在接近或超过临界转速的情况下转子的横向振动。
转子是涡轮机，电动机和其他旋转机械的主要旋转部件。
200多年来，工程和科学界一直关注转子振动。
w.j.m. 1869年英格兰的兰金（Rankin）和1889年法国的拉瓦尔（c.g.p.de Laval）对挠性轴的测试是研究此问题的先驱。
随着现代工业的发展，高速细长转子逐渐出现。
由于它们通常在柔性状态下工作，因此它们的振动和稳定性变得越来越重要。
转子动力学的主要研究内容如下：①临界速度由于制造误差，转子每个微小部分的质心与旋转轴略有偏离。
当转子旋转时，由上述偏差引起的离心力将使转子产生横向振动。
在某些速度（称为临界速度）下，这种振动似乎非常强烈。
为了确保机器不会在工作速度范围内产生共振，临界速度应适当偏离工作速度，例如大于10％。
临界速度与转子的弹性和质量分布有关。
对于具有有限集总质量的离散旋转系统，临界速度的数量等于集总质量的数量；对于具有连续质量分布的弹性旋转系统，临界速度是无限的。
传递矩阵法是计算大型转子支撑系统临界转速的最常用数值方法。
要点是：首先，将转子分成几个部分，每个部分左右两端的四个部分参数（挠度，挠度角，弯矩和剪切力）之间的关系可以通过传递来描述。
该部分的矩阵。
以此方式，可以获得系统的左端和右端的横截面参数之间的总传递矩阵。
然后，根据边界条件和自然振动中非零解的条件，通过试错法求出各阶的临界速度，得到相应的振动模式。
②通过临界速度的状态通常，转子以可变速度通过临界速度，因此通过临界速度的状态是不稳定的。
与以临界速度旋转时的静止状态不同，有两个方面：一是振幅的最大值小于静止状态的振幅，速度越大，振幅的最大值越小。
另一个是振幅的最大值不会在像静止状态那样的临界速度下出现。
在不稳定状态下，频率转换干扰力作用在转子上，这使分析变得困难。
为了解决这种问题，在数值计算或非线性振动理论中必须使用渐近法或级数展开法。
转子动力学
固体力学的分支。
本文主要研究转子轴承系统在旋转状态下的振动，平衡和稳定性，特别是在接近或超过临界速度的运行状态下转子的横向振动。
转子是旋转机械（例如涡轮机和电动机）中的主要旋转部件。
工程和科学界一直关注转子振动已有200多年的历史了。
1869年英国W.J.M Rankin撰写的有关离心力的论文以及法国C.G.P.de Laval于1889年对挠性轴进行的测试是研究此问题的先驱者。
随着现代工业的发展，高速细长转子逐渐出现。
由于它们通常在柔性状态下工作，因此振动和稳定性问题变得越来越重要。
转子动力学的主要研究内容如下：由于制造误差，转子的每个微段的质心通常会略微偏离旋转轴。
当转子旋转时，由上述偏差引起的离心力将导致转子横向振动。
在某些转速（称为临界转速）下，这种振动非常强烈。
为了确保机器不会在工作速度范围内产生共振，临界速度应偏离工作速度超过10％。
临界速度与转子的弹性和质量分布有关。
对于具有有限集中质量的离散旋转系统，临界速度的数量等于集中质量的数量。
对于具有连续质量分布的弹性旋转系统，存在无限的临界速度。
用于计算大型转子支撑系统的临界转速的最常用数值方法是传递矩阵法。
要点如下：首先，将转子分成几个部分，每个部分左右两端的四个部分参数（挠度，挠度角，弯矩和剪切力）之间的关系可以用下式描述：本节的转移矩阵。
以此方式，可以获得系统的左端面和右端面的截面参数之间的总传递矩阵。
然后，根据边界条件和自然振动中存在非零解的条件，通过试错法求出各阶的临界速度，然后得到相应的振动模式。
由于Jeffcott转子的特殊性，唯一的轮盘位于两个刚性支撑之间，因此可以忽略陀螺力矩对临界转速的影响。
Jeffcott转子在无阻尼状态下的临界速度可以看作是其固有频率，但是对于其他类型的转子，陀螺力矩对临界速度的影响是不能忽略的，这是与结构动力学的差异之一。
和振动力学。
就转子动力学而言，在存在外部阻尼的情况下，Jeffcott转子的临界速度高于其在非阻尼状态下的固有频率，该结论也适用于其他类型的转子。
转子动力学
转子动力学转子动力学（Rotordynamics）是一个在机械工程中有着广泛应用的学科，它研究的是转子的运动模式和旋转的动态行为。
它主要包括对转子的结构，刚度，形状，质量及其动态响应的研究，它也可以研究转子系统中出现的振动现象。
转子动力学被广泛应用于一些重要的工程应用，其中，汽轮机，离心机，风力发电机和电机等系统都可以利用转子动力学进行模拟研究，以便于计算转子系统的运动性质和性能。
转子动力学的研究主要分为两个部分：静态和动态分析。
静态分析是指只考虑转子的静力学性质，即转子的位移，速度和加速度，而不考虑其在轴承振动中的动态特性。
动态分析则是指考虑转子在轴承振动中的动态特性，包括振动模式、振动频率、振动幅值及衰减。
转子动力学的静态分析方法很多，其中，应用频繁的有建立结构方程和有限元方法，它们分别用于研究转子结构的位移，形变和应力分布，及轴承摩擦耦合下转子的动态行为。
动态分析方法也有很多，例如建立模态方程和复结构动力学方法等，它们都有助于研究转子系统的动态行为，包括振动模式、振动频率、振动的位移、形变和应力分布。
转子动力学的应用非常广泛，它可以被用于传动系统，机床，风机，汽轮机，离心机，风力发电机等系统中，以改善其设计和性能。
由于转子动力学完备及计算量大，现代转子断面设计工具和分析工具均已经发展趋于成熟，可以实现转子的3D的模拟分析，并可以实现转子的断面设计改善。
转子动力学是实施转子系统设计，并实现转子系统性能改善的重要手段，它给转子系统提供了科学的基础，使得转子系统设计及性能改善更接近设计者的实际需求，从而达到节省成本，提高效率，提升产品性能的目的。
总之，转子动力学研究是机械工程中一个重要的学科，它在机械系统安全可靠运行方面发挥着非常重要的作用。
通过使用转子动力学，可以更好地分析和理解转子系统的结构，刚度，形状，质量及其动态响应，从而实现设计的优化，提高转子系统的性能，改善转子系统的安全可靠性。
转子动力学
转子动力学是固体力学的一个分支。
本文主要研究转子支撑系统在旋转状态下的振动，平衡和稳定性，特别是在接近或超过临界速度的情况下。
转子是涡轮机，电动机和其他旋转机械的主要旋转部件。
200多年来，工程和科学界一直关注转子振动。
w。
1869年英国的兰金（Rankin）和1889年的法国拉瓦尔（c.g.p.de Laval）对柔性轴的测试是研究此问题的开创者。
随着现代工业的发展，高速细长转子逐渐出现。
由于它们通常以柔性状态工作，因此它们的振动和稳定性变得越来越重要。
转子动力学的主要研究内容如下①临界速度由于制造误差，转子每个微小部分的质心与旋转轴略有偏离。
当转子旋转时，由上述偏差引起的离心力将使转子产生横向振动。
在某些速度（称为临界速度）下，这种振动似乎非常强烈。
为了确保机器在运行速度范围内不会产生共振，临界速度应适当偏离工作速度，例如大于10％。
临界速度与转子的弹性和质量分布有关。
对于具有有限集总质量的离散旋转系统，临界速度的数量等于集总质量的数量；对于具有连续质量分布的弹性旋转系统，临界速度是无限的。
传递矩阵法是计算大型转子支撑系统临界转速的最常用数值方法。
要点是：首先，将转子分成几个部分，每个部分左右两端的四个参数（挠度，挠度角，弯矩和剪切力）之间的关系可以通过传动来描述。
这部分的矩阵。
以这种方式，可以获得系统的左端和右端的横截面参数之间的总传递矩阵。
然后，根据边界条件和自然振动中非零解的条件，通过试错法求出各阶的临界速度，并得到相应的振动模式。
②临界速度通过通常，转子以可变速度通过临界速度，因此通过临界速度的状态是不稳定的。
与以临界速度旋转时的静态不同，有两个方面：一是最大振幅小于静态振幅，而速度越大，最大振幅越小。
另一个是最大振幅不会像静止时那样以临界速度出现。
在不稳定状态下，变频器的干扰力作用在转子上，使分析变得困难。
为了解决该问题，在数值计算或非线性振动理论中必须采用渐近法或级数展开法。
③动态响应在转子的设计和运行中，经常需要知道在工作速度范围内不平衡和其他激励因素引起多少振动，并将其作为转子工作状态的量度。
转子系统动力学
转子系统动力学1. 引言转子系统动力学是研究转子在运动过程中的力学特性和动力学行为的学科。
转子系统广泛应用于各种机械设备中，例如发电机、涡轮机、离心压缩机等。
深入了解转子系统的动力学行为对于设计和优化这些机械设备至关重要。
转子系统动力学的研究内容包括转子的振动特性、转子的稳定性、转子的受力分析等。
在转子系统动力学中，转子被视为一个连续体，其运动受到各种力的作用，包括离心力、重力、惯性力等。
通过对这些力的分析和计算，可以获得转子的运动规律和稳定性。
2. 转子的振动特性转子的振动特性是转子系统动力学研究的重要内容之一。
转子的振动可以分为自由振动和强迫振动两种情况。
2.1 自由振动自由振动是指转子在没有外界力作用下的振动。
自由振动的特点是振幅和频率都是固定的，振动形式可以是简谐振动或复杂振动。
自由振动的频率由转子的刚度和质量分布决定。
2.2 强迫振动强迫振动是指转子在外界激励力作用下的振动。
外界激励力可以是周期性的，也可以是非周期性的。
强迫振动的特点是振幅和频率随外界激励力的变化而变化。
3. 转子的稳定性转子的稳定性是指转子在运动过程中是否保持平衡状态的能力。
稳定性的分析可以通过线性稳定性分析和非线性稳定性分析两种方法进行。
3.1 线性稳定性分析线性稳定性分析是指通过线性化转子系统的运动方程，然后对线性化方程进行分析，判断转子系统的稳定性。
线性稳定性分析的基本思想是将非线性问题近似为线性问题，通过对线性问题的分析来判断转子系统的稳定性。
3.2 非线性稳定性分析非线性稳定性分析是指直接对转子系统的非线性运动方程进行分析，判断转子系统的稳定性。
非线性稳定性分析考虑了转子系统的非线性特性，能够更准确地描述转子系统的稳定性。
4. 转子的受力分析转子的受力分析是研究转子系统动力学的重要内容之一。
转子在运动过程中受到各种力的作用，包括离心力、重力、惯性力等。
4.1 离心力离心力是转子在旋转过程中由于离心力的作用而产生的力。
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
添加标题
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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。
转子动力学培训 (API 684学习)
模态振型
模态振型指在临界转速时 转子的振动形态。与轴承 转子的刚度有关。
相位角
相位角是指测点出测量得到 的最大振幅与转子上标记位 置的相对角度。相位角可以 用于确定不平衡量的位置以 及临界转速的位置还有与临 临界转速相关的放大系数。 当转子运行在临界转速以下 时振动最大值与不平衡量的 位置比较接近，当转子运行 转速高于第一阶临界转速（ 低于第二阶临界转速）时转子 的最大振动相位与不平衡量的 位置有接近180度的相位差。经 过第一阶临界转速时相位有明 显的变化。
在转子轴承系统设计时应该
考虑如下激振因素但不限于
这些因素。
1 转子系统不平衡； 2油膜不稳定； 3 内部摩擦； 4 叶片，小孔以及扩流器的通过频率； 5齿轮啮合与变频； 6 不对中； 7转子系统松动； 8摩擦涡动； 9边界流体分离状态； 10空气动力学交叉饮料； 11同步涡动； 12 滚动轴承的通过频率；
可以通过对计算结果与测试结果的对比来 优化模型建立，积累经验。 根据一般经验转子的二阶弯曲临界转速以及 稳定性对叶轮、轴套等的热套作用不明显。
叶轮等热套零件的惯性质量对于
转子系统的影响不能忽略，应该考虑
在内。
大部分的电机包括如下附加质量：
1 叶轮，盘； 2 联轴器； 3 轴套； 4 平衡盘； 5 推力头； 特殊的机器还包括：
假设转轴的质量可以忽略那么 转子与轴承的等效刚度可以以 下列公式代替。 从公式可知哪个部分的相对刚度 越低则对系统刚度影响更大。
从上述分析可以知道，轴承和 转子整合的刚度比单一部件的 刚度更低。
从图1-10表示了在不同转子刚度 的情况下的振动响应，从图中可 知在相同的轴承刚度情况下转子 刚度越大振动越平缓，临界转速 越高。
转子动力学基础pdf
转子动力学基础pdf
转子动力学是研究旋转系统的运动规律和振动特性的一门学科。
它主要涉及到刚体力学、动力学和振动学的知识，研究的对象包括各种旋转机械设备，如发电机、风力发电机、涡轮机、离心机等。
转子动力学基础包括以下几个方面：
1. 刚体力学：研究刚体的运动规律和受力情况。
在转子动力学中，我们将转子看作刚体，通过刚体力学理论分析转子受到的力和力矩，从而推导出转子的运动方程。
2. 动力学：研究物体的运动与受力之间的关系。
在转子动力学中，我们考虑转子受到的旋转力和惯性力的影响，通过牛顿第二定律和角动量定理等动力学原理，推导出转子的旋转运动方程。
3. 振动学：研究物体的振动特性。
在转子动力学中，由于旋转机械设备的运行过程中会产生振动，因此需要考虑转子的振动特性。
通过振动学理论，可以分析转子的固有频率、振型和振动幅值等参数，从而评估转子的稳定性和安全性。
4. 转子不平衡：转子不平衡是导致旋转机械设备振动和噪声产生的主要原因之一。
在转子动力学中，我们需要研究转子的不平衡现象，并通过对不平衡力的计算和分析，找到相应的解决方法，如平衡校正或使用动平衡系统。
5. 轴承动力学：转子在运行过程中需要依靠轴承支撑和导
向，轴承的性能将直接影响到转子的运动和振动特性。
因此，研究转子动力学还需要考虑轴承的摩擦、刚度和阻尼等特性，在设计和分析中进行综合考虑。
总之，转子动力学基础涉及到刚体力学、动力学、振动学以及轴承动力学等多个学科的知识。
通过对这些基础理论的研究和应用，可以更好地理解和掌握旋转机械设备的运动规律、振动特性以及相关问题的解决方法。
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转子失稳的危害
★突发性一般无明显的 先兆。
★失稳运动一般规模很 大。
★低周涡动，转轴受交 变应力。引起疲劳破 坏。
自激振动的机理
激励
振动 系统
响应
恒定的能源提供振动 的能量。 反馈机制控制能量的 适时输入。
反馈 机制
实例：弦乐器发声
恒定 能源
荡秋千 吊桥、输电线的风致振动 机械钟表的摆动
机床切削振动，等
▲ 其他问题 如瞬态响应、扭转振动、非线性问题等。 ▲ 当前热点问题 复杂转子、失稳因素研究、故障诊断、
转子运动的控制、非线性问题等。
临界转速 critical speed
临界转速是共振转速，转子在临界转速下会发生共振现象。 ▲ 临界转速在数值上一般等于转子横向振动的固有频率。 ▲ 临界转速的大小决定于转子的结构（质量和刚度的分布）和
# 6 、
改 瓦前 # 7 4 1 0 1 3 .5 2 5 0 0 1 2 8
80
改 瓦后 原 瓦
第 一
60
次 缩
40
# 6 、3 5 0 1 5 .7 2 5 0 0 4 0
秋千
普通摆
秋千
重心
变化
l
l上 l下
人的
起蹲 蹲
mg
下
重力
mg
下摆 重力做功 W(入)= mgl(1-cos)
上摆 重力做功 W(出)= – mgl(1-cos)
能量 W(入)= W(出)
起 立
蹲 下
W(入)= mgl下(1-cos) W(出)= – mgl上(1-cos)
W(入) > W(出)
结果
有悬臂的转子上，回转效应表现得较明显。
200MW汽轮发电机组
高压转子 中压转子 低压转子
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 有7个轴承。
发电机转子
多转子轴系的临界转速和振型
高压转子 中压转子
低压转子
发电机转子
200MW 汽轮发电机组轴系
发电机转子型 n1 =1002 r/min
自激振动实例－提琴弦的振动
振动
琴弦
摩 擦 力
F1 F2
0
相对速度
变化的 摩擦力
F1 V v
F2
V
v
相对速度 的变化
弓的拉动
相对速度 （V – v） < （ V + v）
摩擦力
F1
>
F2
能量 W(输入)=F1 s > W (输出)=F2 s
每振动一周能量有积累，引起自激振动
摆动
自激振动实例－荡秋千
转速
单圆盘转子的不平衡响应
O’
r/e
C
A
1
O
C
r
e A
O
重点 高点
0
c
C e rA
O
<< c
r << e
Ce A
r
O
c r >> e
C
r
O
e
A
>> c
re
转子的同步正进动
▲ 定转速时，转子作 刚体弓形回转（同步 正进动），转子上轴 向的各纤维不受交变 力。
自转
公转
▲ 轴心线形状决定于不平衡分布、转子转速和临界 转速的分布。
轴承的结构(边界条件)。 ▲ 一个实际的转子往往有很多阶临界转速，从低到高依次称为
第一阶、第二阶、第三阶等等。 ▲ 每一阶临界转速下，转子有一个相对应的振型。 ▲ 临界转速的数值可以用计算法求得，或用实验法测得。
单圆盘转子的临界转速
r/eБайду номын сангаас
O’
m A
k
O
y
C
r
e A
O
1 0
x
c
圆盘惯性力 ＋ 轴弹性力 ＝ 偏心的离心力
支承刚度对临界转速的影响
临 界 转 速
0
软
支承刚度
硬
K
支承刚度降低，临界转速随之下降；反之亦然。振型也随之变化。 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。
回转效应对临界转速的影响
此园盘轴线方向不 变，没有回转效应
此园盘轴线方向变化， 回转效应增加轴的刚性
回转效应是旋转物体的惯性的表现，它增加轴的刚性， 故提高转子的临界转速。
由于阻力振动衰减
克服阻力建立自激振动
风致自激振动
美国 Tacoma 吊桥的垮塌 (1940年)
油膜失稳的实例
1972年2月 朝阳电厂 1号机组－200MW
第 6瓦 的 振 幅 m
140
120
轴 状 承 态轴 宽 m m 瓦 度比 N /压 cm 2 阈 r/m 速 in最 振 μ 大 幅 m
100
高压转子 中压转子 低压转子
发电机转子
刚性支承 1805 1316 1965 1053 3149
弹性支承 1693 1221 1740 943 2654 多跨 轴 系 高压转子型 中压转子型 低压转子型 发电机转子型 刚性支承 2284 1643 2592 1142 3444 弹性支承 1936 1470 2014 1002 2678
m m
d2 x
dt 2 d2 y
dt 2
kx ky
me 2 me 2
cos t sint
临界转速 c
k m
由上式中解出x和y,并求得振幅r。
单转子的临界转速和振型
650MW 发电机转子
n1= 604 r/min n2= 1840 r/min n3= 4651 r/min 多自由度转子有多个临界转速和相应的振型
▲ 变转速时，轴心线形状、弯曲大小和相位均变化。
200MW机组转子的不平衡响应
转子转速 3000r/min
转子的稳定性 stability
造成转子失稳的因素
★滑动轴承的油膜力 ★密封中的流体力 ★定、转子间径向间隙不均匀 ★转轴的材料内阻和结构内阻 ★转子内腔部分充液 ★转子和定子的碰摩 ★转子质量和刚性在各径向不
中压转子型 n2 = 1470 r/min
高压转子型 n3 = 1936 r/min
低压转子型 n4 = 2014 r/min
发电机转子型 n5 = 2678 r/min
轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。
多转子轴系的固有频率和振型
单跨转子与多跨轴系临界转速的关系
单个 转子
200MW汽轮发电机组轴系
转子动力学——旋转机械的动力学 特性
转子动力学的任务和内容
转子动力学研究旋转机械的动力学现象和动力学 特性，它是旋转机械的设计、制造、安全运行、故 障诊断的力学基础。主要内容： ▲ 临界转速 物理概念，确定方法，影响因素。 ▲ 不平衡响应 转子运动形态，平衡理论和平衡方法。 ▲ 稳定性 失稳因素，油膜振荡等，提高稳定性的措施。
轴系的各阶临界转速高于相应的单转子的临界转速。 弹性支承转子的临界转速低于刚性支承转子的临界转速。
转子的不平衡响应 unbalance response
▲ 振动与转子不平衡 大小成正比。
▲ 过临界转速时有共
振峰。
振
幅
▲ 振动大小及共振峰
高低与阻尼大小有
关。
▲ 阻尼较大时，转子 对不平衡不敏感。
阻尼小 阻尼大 不敏感转子