13559

1195 دكتري

دكتري

طراحي كاربردي

اصفهان: دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مكانيك

۱۳۹۶

شانزده، [۱۴۰]ص.: مصور، جدول، نمودار

مصطفي غيور

حشمت اله محمد خانلو

سعيد ضيايي راد، مهدي كشميري، منصور رفيعيان، حميد احمديان

1397/03/07

كتابنامه

مكانيك

مهندسي مكانيك

ID1195 دكتري

چكيده در سالهاي اخير ياتاقانهاي مغناطيسي فعال AMBs اغلب به خاطر مزيتهايشان نسبت به ياتاقانهاي معمولي در ماشينهاي دوار سرعت باال استفاده ميشوند برخي از مزيتهاي به كارگيري سيستم AMB شامل كاركرد بدون تماس حذف كامل سيستم روغنكاري دقت كنترلي باال محدوده كاركرد دمايي گسترده هزينههاي نگهداري پايين و عمر بيشتر سيستم هستند هرچند سيستم AMB داراي ويژگيهاي غيرخطي زيادي است كه پديدههاي غيرخطي متنوعي را در حركت روتور ايجاد ميكند بنابراين پيشبيني رفتار ديناميك غيرخطي يك سيستم روتور هممحور تعليق شده توسط دو AMB و تماس با دو ياتاقان كمكي هدف اصلي اين پژوهش محسوب مي شود در بسياري از ماشينهاي دوار مانند موتورهاي جت شافتهاي هممحور براي انتقال توان بين قسمتهاي فشار باال و فشار پايين توربين و كمپرسور استفاده ميشوند به دليل عوامل غيرخطي موجود در ياتاقانها و برهمكنش بين شافتهاي داخلي و خارجي تحليل ديناميك غيرخطي اين ماشينها نسبت پيچيده است در اين مطالعه سيستم روتور هممحور AMB با ده درجه آزادي در دو صفحه x z و ا y z مدلسازي شده است در اين مدل ممانهاي ژيروسكوپي ديسكها انعطافپذيري شافت داخلي و كوپلينگ هندسي قطبهاي مغناطيسي لحاظ گرديدهاند معادالت ديفرانسيل غيرخطي حركت با روش الگرانژ استخراج و با استفاده از روش رانج كوتاي مرتبه چهار در نرمافزار MATLAB حل شدهاند تحليل ديناميك غيرخطي سيستم با استفاده از نمودارهاي دوشاخگي مسيرهاي مداري طيف توان مقاطع پوانكاره و ماكزيمم نماهاي لياپانوف بررسي گرديده است اثرات سرعتهاي دوراني دو روتور وزن سختي خمشي شافت داخلي سختي ياتاقان واسطه سختي ياتاقانهاي كمكي موقعيت ديسك روي شافت داخلي ناباالنسي بهرههاي كنترلي AMB ها لقي و اصطكاك در ياتاقانهاي كمكي روي رفتار ديناميكي سيستم روتور هممحور AMB مطالعه شده است نتايج نشان ميدهد كه با تغيير اين پارامترها ديناميك سيستم ميتواند به طور قابل مالحظهاي تحت تأثير قرار گيرد به طوري كه پاسخهاي سيستم پديدههاي ديناميك غيرخطي متنوعي را از جمله حركات با دوره تناوب 4T 2T شبهتناوبي آشوبناك و پديده پرش آشكار ميكنند همچنين برخي مقادير آستانهاي در ارتباط با طراحي پارامترهاي مناسب براي سيستم به دست آورده شده است بنابراين اين نتايج ميتوانند نقش مهمي را در بهبود عملكرد سيستم روتور هممحور AMB همراه با ياتاقانهاي كمكي ايفا كنند براي اعتبارسنجي تجربي نتايج و توجه دقيق روي جنبههاي طراحي يك دستگاه تست روتور AMB همراه با ياتاقانهاي كمكي طراحي و ساخته شده است سپس مدلي براي دستگاه تست ارائه گرديده كه لحاظ كردن همزمان اثرات ژيروسكوپي ديسك انعطافپذيري شافت كوپلينگ هندسي بين قطبهاي هر AMB و برخورد اصطكاكي بين شافت و ياتاقانهاي كمكي از نوآوريهاي اين مدل محسوب ميشود اثرات پارامتر سرعت دوراني ناباالنسي ديسك و سختي ياتاقانهاي كمكي روي رفتار ديناميكي سيستم مورد بررسي قرار گرفته است نتايج نشان ميدهد كه با افزايش ناباالنسي وقوع رفتار آشوبناك به تأخير ميافتد اگرچه محدوده كمتري از حركت تناوبي قابل دستيابي است سختي كمتر ياتاقان هاي كمكي مي تواند منجر به محدوده وسيعتري از حركت تناوبي سيستم شود با كاهش ضريب سختي ياتاقانهاي كمكي نيز وقوع اولين رفتار آشوبناك در سرعتهاي دوراني پايينتري اتفاق ميافتد براي تستهاي تجربي اول تا سوم يك جرم ناباالنس به ترتيب در سه موقعيت شعاعي از مركز ديسك اضافه شده است تستهاي تجربي چهارم تا ششم براي سه مقدار مختلف سختي ياتاقانهاي كمكي انجام شدهاند در هر آزمايش ساير پارامترهاي فيزيكي ثابت نگهداشته شدهاند در نهايت نمودارهاي مداري و طيف توان به دست آمده از شبيهسازيهاي عددي و تستهاي تجربي مقايسه شدهاند كلمات كليدي روتور هممحور سيستم AMB ياتاقان كمكي ديناميك غيرخطي آشوب اعتبارسنجي تجربي

Chaotic vibration analysis of a flexible coaxial rotor system in active magnetic bearings AMBs and contact with auxiliary bearings Reza Ebrahimi Reza ebrahimi@me iut ac ir 1th February 2018 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 IranDegree Ph D Language FarsiSupervisor Mostafa Ghayour Ghayour@cc iut ac irAbstractIn the recent years active magnetic bearings AMBs are often used in high speed rotating machinery fortheir advantages in comparison with conventional bearings Some advantages of implementing the AMBsystem include the contactless operation complete elimination of oil based lubrication system high controlprecision wide operational temperature ranges lower maintenance costs and longer system life However the AMB system is highly nonlinear in nature that causes nonlinear phenomena in the rotor motion So themajor purpose of this research is to predict the nonlinear dynamic behavior of a coaxial rotor systemsupported by two AMBs and contact with two auxiliary bearings In many cases of rotating machines like jetengines coaxial shafts are used for power transmission between a high low pressure turbine and acompressor Because of bearings nonlinearity and interaction between the inner and outer shaft nonlineardynamic analysis of these machines is rather complex In this study the coaxial rotor AMB is modeled byten degrees of freedom in x z and y z planes In this model the gyroscopic moments of the disks flexibilityof the inner shaft and geometric coupling of the magnetic poles are included The nonlinear differentialequations of motion are developed by the Lagrange s equations and solved using the fourth order Rung Kutta method in MATLAB software Nonlinear dynamic analysis of system is investigated by means of thebifurcation diagrams dynamic trajectories power spectra Poincare maps and maximum Lyapunovexponent The effects of the rotational speed of the shafts gravity inner shaft stiffness inter rotor bearingstiffness auxiliary bearings stiffness disk position on the inner shaft unbalance controller gains of AMBs clearance and friction in auxiliary bearings on the dynamic behaviour of the coaxial rotor AMB system arestudied The results indicate that dynamics of the system can be significantly affected by varying theseparameters so that the system responses reveal a rich variety of nonlinear dynamical phenomena includingperiod 2 4 quasi periodic and chaotic vibrations as well as jump phenomena Also some threshold valuesare obtained with regard to the design of appropriate parameters for the system Therefore these results canplay an important role in improving the performance of the coaxial rotor AMB systems with auxiliarybearings For the experimental verification of the results and careful attention to design aspects a rotor AMB test device with auxiliary bearings is designed and constructed Then the model for the test device ispresented The simultaneous incorporation of the gyroscopic moments of disk flexibility of shaft geometriccoupling of magnetic actuators and auxiliary bearings contact forces is novelty of this model The effects ofrotational speed disk unbalance and auxiliary bearings stiffness on the dynamic behaviour of the system areinvestigated The results show that the increasing unbalance delays the occurrence of chaotic behavior although smaller periodic motion range is accessible as a result The smaller auxiliary bearings stiffness canlead to larger periodic motion range With decreasing auxiliary bearings stiffness the first region of thechaotic motion occurred at lower rotational speed For the first through third experimental tests a massunbalance is added at three radial positions to the center of the disk respectively The fourth through sixthexperimental tests are carried out for three deferent values of the auxiliary bearings stiffness The otherphysical parameters are held constant in each experiment Finally the rotor orbits and power spectraobtained using the nu

مصطفي غيور

حشمت اله محمد خانلو

سعيد ضيايي راد، مهدي كشميري، منصور رفيعيان، حميد احمديان