轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

本書為“十二五”國(guó)家重點(diǎn)圖書項(xiàng)目。本書是一本理論水平先進(jìn)、工程實(shí)用價(jià)值很大的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面的著作。圍繞旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性要求，系統(tǒng)深入地介紹了開展轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的流程、基本知識(shí)、計(jì)算分析過(guò)程、評(píng)價(jià)規(guī)范和準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)軟件與工具，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的在線運(yùn)行及健康管理，詳細(xì)地介紹了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試、狀態(tài)檢測(cè)及故障診斷。無(wú)論是內(nèi)容的選編還是論述均注重學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用的聯(lián)系，書中減少了大量繁雜的公式推導(dǎo)，突出了對(duì)物理問(wèn)題及物理概念的闡釋，在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用間成功地搭起了一座橋梁。既可以讓讀者學(xué)到分析問(wèn)題和處理問(wèn)題的思維方法，又具有可操作性。對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員、有關(guān)高等院校和科技機(jī)構(gòu)的課件人員有很好的參考價(jià)值，可成為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)工程設(shè)計(jì)的“設(shè)計(jì)指南”。

第1章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)

1.1轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及其內(nèi)容

1.2轉(zhuǎn)子的模態(tài)特性

1.2.1振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)

1.2.2轉(zhuǎn)子的模態(tài)

1.2.3圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)的影響

1.2.4算例

1.2.5支承剛度對(duì)轉(zhuǎn)子模態(tài)的影響

1.3轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

1.3.1轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

1.3.2軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型

1.4轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)

1.4.1單圓盤轉(zhuǎn)子的幅頻特性與相頻特性

1.4.2同步正進(jìn)動(dòng)的特點(diǎn)

1.4.3不平衡響應(yīng)的確定

1.5轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性

1.5.1自激振動(dòng)的機(jī)理

1.5.2機(jī)組油膜失穩(wěn)事故親歷

1.5.3油膜軸承的工作狀態(tài)

1.5.4油膜軸承的失穩(wěn)機(jī)理

1.5.5油膜失穩(wěn)的過(guò)程，從油膜渦動(dòng)到油膜振蕩

1.5.6油膜失穩(wěn)的治理

1.5.7其他一些失穩(wěn)因素的分析

1.5.8自激振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)的對(duì)比

參考文獻(xiàn)

第2章轉(zhuǎn)子的平衡

2.1轉(zhuǎn)子不平衡的原因及其影響

2.2剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子

2.3剛性轉(zhuǎn)子的平衡原理和平衡方法

2.3.1剛性轉(zhuǎn)子的不平衡形式

2.3.2剛性轉(zhuǎn)子的平衡原理

2.3.3平衡機(jī)平衡

2.3.4現(xiàn)場(chǎng)平衡

2.3.5現(xiàn)場(chǎng)平衡的方法——影響系數(shù)法

2.3.6剛性轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)

2.4撓性轉(zhuǎn)子的平衡原理和方法

2.4.1撓性轉(zhuǎn)子不平衡的特點(diǎn)

2.4.2模態(tài)平衡法

2.4.3影響系數(shù)法

2.5實(shí)際撓性轉(zhuǎn)子的平衡策略和評(píng)定準(zhǔn)則

參考文獻(xiàn)

第3章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

3.1轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的意義和目標(biāo)

3.2轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

3.3轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的流程

3.4設(shè)計(jì)實(shí)例

3.4.1轉(zhuǎn)子的基本數(shù)據(jù)和建模

3.4.2無(wú)阻尼固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速

3.4.3阻尼固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速

3.4.4不平衡響應(yīng)計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.4.5穩(wěn)定性的補(bǔ)充計(jì)算

3.4.6不同軸承支承的轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性比較

3.5若干設(shè)計(jì)方法的討論

3.5.1逆向設(shè)計(jì)

3.5.2相似設(shè)計(jì)

3.5.3轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則

參考文獻(xiàn)

第4章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算分析

4.1轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析的特點(diǎn)

4.2轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的建模

4.3無(wú)阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的計(jì)算分析

4.3.1典型構(gòu)件的傳遞矩陣

4.3.2Prohl傳遞矩陣法計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速和振型

4.3.3Riccati傳遞矩陣法計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速和振型

4.3.4Riccati傳遞矩陣法的奇點(diǎn)及其消除

4.3.5無(wú)阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)的計(jì)算

4.3.6實(shí)例1——空氣壓縮機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速和臨界負(fù)荷

4.3.7實(shí)例2——汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速

4.3.8實(shí)例3——攪拌機(jī)軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.4有阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的計(jì)算分析

4.4.1振動(dòng)量的復(fù)數(shù)表示

4.4.2Riccati傳遞矩陣法計(jì)算固有頻率和穩(wěn)定性

4.4.3有阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)的計(jì)算

4.4.4實(shí)例4——高速離心機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

4.4.5實(shí)例5——提高200MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的穩(wěn)定性

4.5軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算分析

4.5.1扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率和振型的計(jì)算

4.5.2扭轉(zhuǎn)振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)的計(jì)算

4.5.3實(shí)例6——600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)設(shè)計(jì)

4.6軸系各軸承安裝標(biāo)高及負(fù)荷分配

4.6.1軸系理想的安裝狀態(tài)

4.6.2軸系實(shí)際的安裝狀態(tài)及軸承標(biāo)高的計(jì)算

4.6.3實(shí)例7——某燃?xì)猹舱羝啺l(fā)電機(jī)組軸系

各軸承安裝標(biāo)高的確定

4.7復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的計(jì)算

4.7.1復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的計(jì)算模型

4.7.2復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的計(jì)算方法——雙重傳遞矩陣法

4.7.3實(shí)例8——某航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速

參考文獻(xiàn)

第5章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

5.1規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的重要性

5.2與設(shè)計(jì)有關(guān)的規(guī)范

5.2.1關(guān)于轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速

5.2.2關(guān)于轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)和不平衡響應(yīng)

5.2.3關(guān)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的對(duì)數(shù)衰減率

5.2.4關(guān)于品質(zhì)因子Q

5.2.5關(guān)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

5.3與驗(yàn)收和運(yùn)行有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

5.3.1GB/T6075在非轉(zhuǎn)動(dòng)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)

5.3.2GB/T11348旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定

參考文獻(xiàn)

第6章轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試

6.1振動(dòng)測(cè)試在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用

6.2振動(dòng)測(cè)量框圖

6.3常用的幾種振動(dòng)測(cè)量傳感器

6.3.1磁電速度傳感器

6.3.2壓電加速度傳感器

6.3.3渦流位移傳感器

6.4轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的布置和測(cè)量參數(shù)

6.5轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的幾個(gè)特殊問(wèn)題

6.5.1頻率分析

6.5.2基頻測(cè)量

6.5.3相位測(cè)量

6.5.4轉(zhuǎn)速測(cè)量

6.6轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)的圖示

6.6.1定轉(zhuǎn)速狀態(tài)的圖形

6.6.2變轉(zhuǎn)速狀態(tài)的圖形

6.7與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的振動(dòng)試驗(yàn)

6.7.1試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

6.7.2轉(zhuǎn)子固有頻率的測(cè)定

6.7.3軸承座動(dòng)剛度的測(cè)試

6.7.4軸承油膜動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定

參考文獻(xiàn)

第7章轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

7.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的作用和內(nèi)容

7.2監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)

7.2.1監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)的分類

7.2.2監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)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(shì)分析法

參考文獻(xiàn)

第8章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包ROTDYN介紹

8.1無(wú)阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算程序TBROTOR

8.2有阻尼轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算程序ROTSTB

8.3復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力計(jì)算程序SHAFTS

8.4轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算程序TORVIB

8.5轉(zhuǎn)子平衡計(jì)算程序BALANCE

8.6軸系各軸承安裝標(biāo)高計(jì)算程序ROTLINE

8.7繪制平面圖形程序DRAW2D

8.8繪制立體圖形程序DRAW3D

名詞索引

附光盤：轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算程序包ROTDYN（練習(xí)版）2100433B

本書全面系統(tǒng)討論了轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)的擴(kuò)充知識(shí)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的流程、計(jì)算分析方法以及有關(guān)的準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)，并用多個(gè)工程實(shí)例展示了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的多樣性和相應(yīng)的處理方法。隨書還附有作者多年研制和使用的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包ROTDYN（練習(xí)版）以及計(jì)算實(shí)例，作為一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算工具，供廣大讀者練習(xí)和使用。本書是一本很實(shí)用的、有指導(dǎo)和參考價(jià)值的書籍。

本書的設(shè)定讀者對(duì)象為機(jī)械、鋼鐵、能源、石化、交通以及航空、航天等部門從事轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和振動(dòng)故障排除等工作的技術(shù)人員，也可供高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)生、研究單位的技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用。

轉(zhuǎn)子是各種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械中轉(zhuǎn)動(dòng)部件的力學(xué)通稱。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)是一門應(yīng)用性學(xué)科，它研究轉(zhuǎn)子的各種動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的核心內(nèi)容。

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門中應(yīng)用十分廣泛，而且也是不少制造部門的主要產(chǎn)品。我國(guó)在現(xiàn)代化過(guò)程中，特別是近三十多年，學(xué)習(xí)和追趕先進(jìn)國(guó)家，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械制造水平有了極大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò)展。例如大型汽輪發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)量和產(chǎn)量都已經(jīng)躍居世界前列，產(chǎn)品還出口到許多國(guó)家。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)這一學(xué)科也伴隨著得到了蓬勃發(fā)展。但是要看到，今天我們還不是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械自主研發(fā)的強(qiáng)國(guó)，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等高端轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的研發(fā)力量還很薄弱而且分散，制造水平還相當(dāng)落后，這對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)防實(shí)力的增強(qiáng)有很大影響。可見，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械研發(fā)和制造還有許多艱巨的工作要做，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的理論研究和工程應(yīng)用也有廣闊的發(fā)展前景。

在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)過(guò)去的發(fā)展過(guò)程中，本人有幸參與做了一些工作：在學(xué)校開設(shè)有關(guān)課程、編寫教材、培養(yǎng)研究生，參與籌建專業(yè)學(xué)會(huì)，推進(jìn)和開展國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，同時(shí)積極與工廠和研究單位合作，承擔(dān)國(guó)家和企業(yè)有關(guān)大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的設(shè)計(jì)和振動(dòng)故障分析等工程課題，編制轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序等。

在這過(guò)程中，本人深感加強(qiáng)學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用之間聯(lián)系的重要性，故在一生的教學(xué)和科研工作中一直努力地踐行這一認(rèn)識(shí)。1999年退休后，還數(shù)十次為工程技術(shù)人員開設(shè)講座，普及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械監(jiān)測(cè)和診斷等知識(shí)和技術(shù)，交流和探討工礦企業(yè)中各種機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題等。本人還注意到，國(guó)內(nèi)有關(guān)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的書籍，主要是幾本教材和專著，其內(nèi)容的選編和論述的形式都不大適合于工程技術(shù)人員閱讀。因此，一直想為工程技術(shù)人員寫一本有關(guān)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的書籍，以填補(bǔ)此空缺。但由于種種原因，多年未能動(dòng)筆。今天受到內(nèi)外形勢(shì)的推動(dòng)，終于下決心完成了本書，以了卻夙愿。

本書以多次講座資料為基礎(chǔ)，綜合幾十年來(lái)在教學(xué)和處理工程問(wèn)題中積累的資料，以工程技術(shù)人員為主要讀者對(duì)象，以普及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，提高轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)水平為目的，以期在學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用之間搭建一座小橋梁。因此，本書適當(dāng)設(shè)定閱讀所需的知識(shí)門檻，在論述中盡量減少數(shù)學(xué)演繹，努力闡明物理概念，注重理論和方法的實(shí)際應(yīng)用。隨書還附有本人幾十年使用、不斷改進(jìn)和完善的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序包ROTDYN（練習(xí)版）以及許多算例，作為設(shè)計(jì)計(jì)算工具，供廣大讀者練習(xí)和使用參考。

本書名為“設(shè)計(jì)”，但是其主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)所涉及的基本知識(shí)和計(jì)算分析，這些僅是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，并不是設(shè)計(jì)工作的全部。許多設(shè)計(jì)問(wèn)題難以用數(shù)學(xué)來(lái)表達(dá)，也不能靠計(jì)算來(lái)解決。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，與計(jì)算分析能力同樣重要的還有相關(guān)的專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及化解矛盾和權(quán)衡利弊的綜合能力。后者要靠在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中有意識(shí)地積累而成，非一本書所能提供。

本書第1章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)、第2章轉(zhuǎn)子的平衡，這是設(shè)計(jì)者的基礎(chǔ)知識(shí)。第6章轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試、第7章轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，這是擴(kuò)充知識(shí)。第3章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、第4章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算分析、第5章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這是設(shè)計(jì)者主要工作內(nèi)容。對(duì)于第4章中必須涉及的數(shù)學(xué)推演，讀者可根據(jù)對(duì)計(jì)算方法的興趣，或詳讀，或?yàn)g覽。但其中精選的幾個(gè)實(shí)例顯示了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求的多樣性和相應(yīng)的處理方法，這都是作者所親歷，頗具參考價(jià)值。第8章為ROTDYN程序包中各程序的功能和使用的概要介紹，內(nèi)容摘錄自各程序的說(shuō)明書，印成紙面材料以便研讀。本書各章內(nèi)容基本上是獨(dú)立的，讀者可以根據(jù)需要選擇閱讀。

最后，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(shí)和成果，都是在他們的指導(dǎo)、幫助、合作和支持下取得的。在收集整理有關(guān)資料和撰寫本書稿時(shí)，眼前常常浮現(xiàn)出他們的身影和面容。只因人數(shù)眾多無(wú)法在此逐一列出他們的姓名。

在本書編輯出版過(guò)程中，清華大學(xué)出版社等許多同志付出了辛勤的勞動(dòng)，本人在此一并表示感謝。

限于本人的水平和能力，本書難免有缺點(diǎn)，甚至錯(cuò)誤。歡迎讀者和各界專家批評(píng)指正。

王正于北京清華園2014年12月初稿，2015年9月修改

電機(jī)轉(zhuǎn)子分為內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方式和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方式兩種。內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方式為電機(jī)中間的芯體為旋轉(zhuǎn)體，輸出扭矩（指電動(dòng)機(jī)）或者收入能量（指發(fā)電機(jī)）。外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方式即以電機(jī)外體為旋轉(zhuǎn)體，不同的方式方便了各種場(chǎng)合的應(yīng)用。

研究目的：分析和綜合兩個(gè)方面，分析：研究現(xiàn)有的機(jī)械；

綜合：設(shè)計(jì)新機(jī)械使之達(dá)到給定的運(yùn)動(dòng)學(xué),動(dòng)力學(xué)要求。