| 单词 | 转子动力学 |
| 释义 | 【转子动力学】 拼译：rotor dynamics 以各种旋转机械为工程背景，研究转子的各种动力学现象和规律的学科，它是机器动力学和振动理论的一个分支。19世纪初开始，航空、能源等工业部门对于透平机械、电机等旋转机械，日益迫切地提出高速、高效等要求．促进了转子动力学的产生和发展。转子动力学是设计和制造性能优良的旋转机械，并保证其安全运行的力学基础。 从传统观点看，转子动力学主要研究转子的横向振动及其相关的动力学问题，即临界转速，不平衡响应及稳定性问题。但是随着学科的发展，它研究的范围正越来越宽。1869年雷凯(W．J．Rankine)发表了题为《关于旋转轴的离心力》的论文，正确地解释了临界转速现象，但认为转子在临界转速以上不能稳定工作。1919年杰夫科特(H．H．Jeffcott)制造出第一个超临界的转子，并正确地解释了超临界转子的自动定心作用。1925年斯多朵拉(A．Stodola)注意到了滑动轴承对转子运动的影响，提出用弹簧和缓冲器来描述轴承对转子的作用，后经许多专家的工作，形成了目前普遍所采用的4个刚度系数和4个阻尼系数的滑动轴承的力学模型。1925～1926年纽格克(B．L．Newkirk)和泰勒(H．D．Taylor)在实验中观察到油膜轴承引起的低周失稳现象，这是关于转子稳定性的最早研究报告。1944年穆克雷斯塔(N．O．Myklestad)和1945年普洛尔(M．A．Prohl)分别提出了计算临界转速的初参数法，常称为传递矩阵法。后由于计算机的发展，使得这种简单的计算方法几乎占据垄断的地位。许多学者为改善和克服传递矩阵法固有的数值不稳定现象，作了有益的工作，斐斯得(E．C．Pestel)等对此作了综述。60年代是挠性转子平衡方法百花齐放的年代，经过争论和淘汰，形成振型平衡法和影响系数法两大方法。在振型平衡法中，还曾有过N平面和(N+1)平面两种方法的大争论，1972年凯伦别格(W．Kellenberger)对此争论作了总结。1972年国际理论力学与应用力学协会(IUTAM)决定于1974年在丹麦召开转子动力学国际会议，转子动力学作为一个学科名字第1次被正式使用。此后，转子动力学进入全面发展的新时期。1．复杂转子系统的模化和计算方法。1974年隆特(J．W．Lund)把传统的传递矩阵法推广到稳定性分析，使稳定性分析有一种方便实用的方法。1978年霍钠(G．C．Hornet)等提出了Riccati传递矩阵法，1986年王正论述了Riccati传递矩阵法的奇点及其消除方法，这使传递矩阵法的数值不稳定和漏根问题有根本的改善，为此法的应用拓宽了道路。1983年默非(B．T．Murphy)等和1986年陆颂元把特征行列式直接展开成多项式，以解决漏根问题，这一方法适用于系统自由度不太大的场合。与线性稳态理论相比，瞬态响应与非线性分析还很不成熟。这是许多学者感兴趣的课题。瞬态响应用于分析转子过临界的过渡过程，和转子对地震的响应。当转子在共振区附近工作，或在失稳后作大幅度涡动时，以及分析转子事故时，都需要用非线性理论。采用挤压油膜阻尼器的转子也表现出明显的非线性。复杂转子系统和多自由度转子系统是近代转子动力学的主要研究对象。双转子或三转子的航空发动机，用拉杆联结的或焊接的汽轮机转子，高速同位素分离机都是典型的复杂转子。机器转速的提高和柔性基础的采用，使得必须处理转子－叶盘－叶片系统或转子－轴承－基础等复杂转子系统。解决这些问题，一方面需正确地建立力学模型，另一方面必须开发适于求解复杂转子系统的计算方法。结构动力学中的许多计算方法正被有效地引用到转子动力学中来。尼尔森(H．D．Nelson)等应用有限元法，李(D．F．Li)等应用模态综合法，梅洛维奇(L．Meirovitch)提出了解决陀螺特征值问题的新方法，这些都为研究复杂转子系统的动力学问题创造了有利的条件。但由于转子系统自身的特殊性(如陀螺效应、非比例阻尼、不对称刚度阵等)，所以寻求求解大型复杂转子系统的有效方法，仍是转子动力学今后的一个任务。2．影响转子系统稳定性的各种因素的研究。从20年代人们注意到滑动轴承会引起转子失稳以来，对于滑动轴承的动力特性、半速涡动和油膜振荡的机理等作了大量的理论和实验研究，以改善轴承的动特性，寻找稳定性良好的轴承。这方面的文献在历次转子动力学学术会议上都占很大比例。建立雷诺方程时作的许多假设并不都符合实际，这使得理论结果和实验结果常不符合。许多学者主张应放弃这些假设，并做了许多工作来完善计算模型，例如计入紊流效应、空穴效应、温黏效应、介质的惯性、表面的粗糙度等。有人试图直接采用非线性的油膜刚度和阻尼，有的人则对如此复杂的模型表示怀疑。1986年穆颂斯卡(A．Muszynska)提出一个十分简单的模型来解释油膜失稳，引起了学术界的关注。确定油膜动力系数和系统的模态阻尼的实验方法有很大发展，但要用于现场测试还需继续努力。叶尖效应是另一个受到重视的失稳因素。1965年阿福特(J．S．Alford)提出了这种失稳力的表达式，虽不甚满意，但仍普遍采用。高介质参数使密封引起的失稳日益为人们所重视。与油膜轴承相比，密封的问题更为困难。除了结构复杂以外，密封相对间隙较大，介质黏度低，且有可压缩性。A & M University的查尔斯(D．W．Childs)每两年组织一次高效透平机的稳定性研究讨论会，其中相当多的论文是讨论密封问题的。动静部件碰摩引起的反进动失稳研究甚少，碰摩是一个包括有碰撞、摩擦、摩损、发热等现象的复杂过程。用过于简单的模型，很难得到有实用意义的结果。改进许多失稳因素的力学模型，使之更符合实际，揭示更多的失稳因素，是失稳研究的方向。3．转子系统的故障诊断与预报。从70年代起故障诊断发展十分迅速，目前已成为一门综合机械、测试、计算机、信号处理、人工智能等的新兴学科。诊断技术的工业应用已有许多成功的例子。转子动力学在故障诊断中的主要任务是，分析故障转子的动力特性，提取各种故障的特征信息以及协助确定各类机械的报警和跳闸的振动限值。目前在故障模型研究方面，裂纹转子最受青睐，已提出了许多种描述裂纹开合的力学模型，但离真正用于生产实际还有相当距离。4．转子系统的主动控制。为使转子具有人们所理想的动力特性，主动控制的研究十分活跃。当前，控制力主要通过轴承施加，如改变支承刚度，改变轴承间隙、宽度、油的黏度，或直接加电磁力等。电磁轴承的研究开始较早，已在分子泵、单晶炉及磨床上有初步应用，并已召开过多次专题国际会议。总之，转子动力学研究的天地十分宽广。此外，国内外有些转子动力学的专门著作，将有助于更好地了解这一学科。【参考文献】：1 Tondl A．Some problems of rotor dynamics．Publishing House of the Czechaslovak Academy of Sciences，19652 Kellenberger W．ASME J．fo Engrg．for Industry，1972，5：548～5603 Niordson F I．dynamics of rotor，Lyngby Denmark：IUTAM Symposium，19744 Lund J W，ASME J．of Engrg．for Industry，1974，2：509～5175 王正．清华大学学报，1984，19～206 Myszynska A J．of Sound and Vibration，1986，3：443～4627 钟一谔，等．转子动力学．北京：清华大学出版社，19878 王正．振动与冲击．1987，2：74～789 张文．转子动力学理论基础．北京：科学出版社，199010 Lund J W著，王正译．力学与实践．1991，4：16～19(清华大学王正教授撰) |
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