轉動機械的轉子動力學設計

轉動機械的轉子動力學設計

《轉動機械的轉子動力學設計》是2015年清華大學出版社出版的圖書,作者是王正。

基本介紹

  • 書名:轉動機械的轉子動力學設計
  • 作者:王 正
  • ISBN:9787302406501
  • 定價:42
  • 出版社:清華大學出版社
  • 出版時間:2015.11.01
內容簡介,編輯推薦,前言,目錄,

內容簡介

本書全面系統討論了轉動機械的轉子動力學設計問題,包括轉子動力學的基礎知識和相關的擴充知識、轉子動力學設計的流程、計算分析方法以及有關的準則和標準,並用多個工程實例展示了轉子動力學設計的多樣性和相應的處理方法。隨書還附有作者多年研製和使用的轉子動力學計算程式包ROTDYN(練習版)以及計算實例,作為一個實用的設計計算工具,供廣大讀者練習和使用。本書是一本很實用的、有指導和參考價值的書籍。
本書的設定讀者對象為機械、鋼鐵、能源、石化、交通以及航空、航天等部門從事轉動機械設計、製造、運行和振動故障排除等工作的技術人員,也可供高等學校相關專業學生、研究單位的技術人員學習使用。

編輯推薦

本書為“十二五”國家重點圖書項目。本書是一本理論水平先進、工程實用價值很大的轉子動力學設計方面的著作。圍繞旋轉機械設計可靠性要求,系統深入地介紹了開展轉子動力學設計的流程、基本知識、計算分析過程、評價規範和準則、設計軟體與工具,同時結合轉子系統的線上運行及健康管理,詳細地介紹了轉動機械的振動測試、狀態檢測及故障診斷。無論是內容的選編還是論述均注重學術研究與工程套用的聯繫,書中減少了大量繁雜的公式推導,突出了對物理問題及物理概念的闡釋,在學術研究和工程套用間成功地搭起了一座橋樑。既可以讓讀者學到分析問題和處理問題的思維方法,又具有可操作性。對機械動力學領域的技術人員、有關高等院校和科技機構的課件人員有很好的參考價值,可成為轉子動力學工程設計的“設計指南”。

前言

轉子是各種轉動機械中轉動部件的力學通稱。轉子動力學是一門套用性學科,它研究轉子的各種動力學特性和動力學現象,是轉動機械動力學問題的核心內容。
轉動機械在國民經濟許多部門中套用十分廣泛,而且也是不少製造部門的主要產品。我國在現代化過程中,特別是近三十多年,學習和追趕先進國家,轉動機械製造水平有了極大的提高,套用領域也日益擴展。例如大型汽輪發電機組的裝機量和產量都已經躍居世界前列,產品還出口到許多國家。轉子動力學這一學科也伴隨著得到了蓬勃發展。但是要看到,今天我們還不是轉動機械自主研發的強國,特別是航空發動機、重型燃氣輪機等高端轉動機械的研發力量還很薄弱而且分散,製造水平還相當落後,這對於國民經濟的發展、國防實力的增強有很大影響。可見,轉動機械研發和製造還有許多艱巨的工作要做,轉子動力學的理論研究和工程套用也有廣闊的發展前景。
在轉子動力學過去的發展過程中,本人有幸參與做了一些工作:在學校開設有關課程、編寫教材、培養研究生,參與籌建專業學會,推進和開展國內外學術交流,同時積極與工廠和研究單位合作,承擔國家和企業有關大型轉動機械的設計和振動故障分析等工程課題,編制轉子動力學計算程式等。
在這過程中,本人深感加強學術研究和工程套用之間聯繫的重要性,故在一生的教學和科研工作中一直努力地踐行這一認識。1999年退休後,還數十次為工程技術人員開設講座,普及轉子動力學和轉動機械監測和診斷等知識和技術,交流和探討工礦企業中各種機械振動問題等。本人還注意到,國內有關轉子動力學的書籍,主要是幾本教材和專著,其內容的選編和論述的形式都不大適合於工程技術人員閱讀。因此,一直想為工程技術人員寫一本有關轉子動力學的書籍,以填補此空缺。但由於種種原因,多年未能動筆。今天受到內外形勢的推動,終於下決心完成了本書,以了卻夙願。
本書以多次講座資料為基礎,綜合幾十年來在教學和處理工程問題中積累的資料,以工程技術人員為主要讀者對象,以普及轉子動力學等相關知識,提高轉子動力學設計水平為目的,以期在學術研究和工程套用之間搭建一座小橋樑。因此,本書適當設定閱讀所需的知識門檻,在論述中儘量減少數學演繹,努力闡明物理概念,注重理論和方法的實際套用。隨書還附有本人幾十年使用、不斷改進和完善的轉子動力學計算程式包ROTDYN(練習版)以及許多算例,作為設計計算工具,供廣大讀者練習和使用參考。
本書名為“設計”,但是其主要內容是設計所涉及的基本知識和計算分析,這些僅是設計的重要環節,並不是設計工作的全部。許多設計問題難以用數學來表達,也不能靠計算來解決。對於設計工程師來說,與計算分析能力同樣重要的還有相關的專業知識、實踐經驗,以及化解矛盾和權衡利弊的綜合能力。後者要靠在長期工程實踐中有意識地積累而成,非一本書所能提供。
本書第1章轉子動力學的基本知識、第2章轉子的平衡,這是設計者的基礎知識。第6章轉動機械的振動測試、第7章轉動機械的狀態監測與故障診斷,這是擴充知識。第3章轉子動力學設計、第4章轉子動力學的計算分析、第5章轉子動力學有關的規範和標準,這是設計者主要工作內容。對於第4章中必須涉及的數學推演,讀者可根據對計算方法的興趣,或詳讀,或瀏覽。但其中精選的幾個實例顯示了轉子動力學設計要求的多樣性和相應的處理方法,這都是作者所親歷,頗具參考價值。第8章為ROTDYN程式包中各程式的功能和使用的概要介紹,內容摘錄自各程式的說明書,印成紙面材料以便研讀。本書各章內容基本上是獨立的,讀者可以根據需要選擇閱讀。
最後,本人衷心地感謝我的老師、同仁、朋友和家人。本書中涉及的知識和成果,都是在他們的指導、幫助、合作和支持下取得的。在收集整理有關資料和撰寫本書稿時,眼前常常浮現出他們的身影和面容。只因人數眾多無法在此逐一列出他們的姓名。
在本書編輯出版過程中,清華大學出版社等許多同志付出了辛勤的勞動,本人在此一併表示感謝。
限於本人的水平和能力,本書難免有缺點,甚至錯誤。歡迎讀者和各界專家批評指正。
王正於北京清華園2014年12月初稿,2015年9月修改

目錄

第1章轉子動力學的基本知識
1.1轉子動力學的發展及其內容
1.2轉子的模態特性
1.2.1振動系統的模態
1.2.2轉子的模態
1.2.3圓盤的轉動慣量對轉子模態的影響
1.2.4算例
1.2.5支承剛度對轉子模態的影響
1.3轉子的臨界轉速
1.3.1轉子的臨界轉速
1.3.2軸系的臨界轉速和振型
1.4轉子的不平衡回響
1.4.1單圓盤轉子的幅頻特性與相頻特性
1.4.2同步正進動的特點
1.4.3不平衡回響的確定
1.5轉子的穩定性
1.5.1自激振動的機理
1.5.2機組油膜失穩事故親歷
1.5.3油膜軸承的工作狀態
1.5.4油膜軸承的失穩機理
1.5.5油膜失穩的過程,從油膜渦動到油膜振盪
1.5.6油膜失穩的治理
1.5.7其他一些失穩因素的分析
1.5.8自激振動與強迫振動的對比
參考文獻
第2章轉子的平衡
2.1轉子不平衡的原因及其影響
2.2剛性轉子與撓性轉子
2.3剛性轉子的平衡原理和平衡方法
2.3.1剛性轉子的不平衡形式
2.3.2剛性轉子的平衡原理
2.3.3平衡機平衡
2.3.4現場平衡
2.3.5現場平衡的方法——影響係數法
2.3.6剛性轉子的平衡品質
2.4撓性轉子的平衡原理和方法
2.4.1撓性轉子不平衡的特點
2.4.2模態平衡法
2.4.3影響係數法
2.5實際撓性轉子的平衡策略和評定準則
參考文獻
第3章轉子動力學設計
3.1轉子動力學設計的意義和目標
3.2轉子動力學設計的內容
3.3轉子動力學設計的流程
3.4設計實例
3.4.1轉子的基本數據和建模
3.4.2無阻尼固有頻率和臨界轉速
3.4.3阻尼固有頻率和臨界轉速
3.4.4不平衡回響計算與評價
3.4.5穩定性的補充計算
3.4.6不同軸承支承的轉子的穩定性比較
3.5若干設計方法的討論
3.5.1逆向設計
3.5.2相似設計
3.5.3轉子設計的相似準則
參考文獻
第4章轉子動力學的計算分析
4.1轉子動力學計算分析的特點
4.2轉子支承系統的建模
4.3無阻尼轉子系統的計算分析
4.3.1典型構件的傳遞矩陣
4.3.2Prohl傳遞矩陣法計算臨界轉速和振型
4.3.3Riccati傳遞矩陣法計算臨界轉速和振型
4.3.4Riccati傳遞矩陣法的奇點及其消除
4.3.5無阻尼轉子系統的不平衡回響的計算
4.3.6實例1——空氣壓縮機的臨界轉速和臨界負荷
4.3.7實例2——汽輪發電機組軸系的臨界轉速
4.3.8實例3——攪拌機軸的設計最佳化
4.4有阻尼轉子系統的計算分析
4.4.1振動量的複數表示
4.4.2Riccati傳遞矩陣法計算固有頻率和穩定性
4.4.3有阻尼轉子系統的不平衡回響的計算
4.4.4實例4——高速離心機結構參數的最佳化
4.4.5實例5——提高200MW汽輪發電機組軸系的穩定性
4.5軸系扭轉振動的計算分析
4.5.1扭轉振動固有頻率和振型的計算
4.5.2扭轉振動瞬態回響的計算
4.5.3實例6——600MW汽輪發電機組軸系的扭轉振動設計
4.6軸系各軸承安裝標高及負荷分配
4.6.1軸系理想的安裝狀態
4.6.2軸系實際的安裝狀態及軸承標高的計算
4.6.3實例7——某燃氣蒸汽輪發電機組軸系
各軸承安裝標高的確定
4.7複雜轉子系統動力特性的計算
4.7.1複雜轉子系統的計算模型
4.7.2複雜轉子系統動力特性的計算方法——雙重傳遞矩陣法
4.7.3實例8——某航空發動機雙轉子系統的臨界轉速
參考文獻
第5章轉子動力學有關的規範和標準
5.1規範和標準的重要性
5.2與設計有關的規範
5.2.1關於轉子的臨界轉速
5.2.2關於轉子的平衡品質和不平衡回響
5.2.3關於轉子系統的對數衰減率
5.2.4關於品質因子Q
5.2.5關於扭轉振動
5.3與驗收和運行有關的標準
5.3.1GB/T6075在非轉動部件上測量和評價機器的機械振動
5.3.2GB/T11348旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定
參考文獻
第6章轉動機械的振動測試
6.1振動測試在轉動機械設計中的作用
6.2振動測量框圖
6.3常用的幾種振動測量感測器
6.3.1磁電速度感測器
6.3.2壓電加速度感測器
6.3.3渦流位移感測器
6.4轉動機器振動測點的布置和測量參數
6.5轉動機械振動測試的幾個特殊問題
6.5.1頻率分析
6.5.2基頻測量
6.5.3相位測量
6.5.4轉速測量
6.6轉動機械振動的圖示
6.6.1定轉速狀態的圖形
6.6.2變轉速狀態的圖形
6.7與轉動機械設計有關的振動試驗
6.7.1試驗模態分析
6.7.2轉子固有頻率的測定
6.7.3軸承座動剛度的測試
6.7.4軸承油膜動力係數的測定
參考文獻
第7章轉動機械的狀態監測與故障診斷
7.1狀態監測與故障診斷的作用和內容
7.2監測儀器系統
7.2.1監測儀器系統的分類
7.2.2監測儀器系統選用的原則
7.3故障診斷的方法介紹
7.3.1頻譜分析法
7.3.2趨勢分析法
參考文獻
第8章轉子動力學計算程式包ROTDYN介紹
8.1無阻尼轉子系統動力計算程式TBROTOR
8.2有阻尼轉子系統動力計算程式ROTSTB
8.3複雜轉子系統動力計算程式SHAFTS
8.4轉子扭轉振動計算程式TORVIB
8.5轉子平衡計算程式BALANCE
8.6軸系各軸承安裝標高計算程式ROTLINE
8.7繪製平面圖形程式DRAW2D
8.8繪製立體圖形程式DRAW3D
名詞索引
附光碟:轉動機械的轉子動力學設計計算程式包ROTDYN(練習版)

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