Mécanisme de vibration couplée du désalignement d'installation des roulements et du frottement dans les systèmes d'arbre supercritiques

Contexte académique

Avec les besoins croissants de l’industrie aéronautique en matière de conception à haute vitesse et légère, de plus en plus de systèmes d’arbre de transmission aéronautique adoptent une conception supercritique (supercritical design). La conception supercritique signifie que l’arbre de transmission doit franchir sa première vitesse critique. Cependant, lors du franchissement de la vitesse critique, l’arbre peut produire des vibrations sévères en raison du déséquilibre, ce qui affecte gravement la sécurité du système. L’amortisseur à friction sèche (dry friction damper) limite efficacement l’amplitude des vibrations à la vitesse critique grâce au frottement (rub-impact) entre l’arbre et l’amortisseur. Cependant, dans la pratique, le système d’arbre est inévitablement confronté à un désalignement d’installation des roulements (bearing installation misalignment) causé par des erreurs de fabrication, d’assemblage, etc. L’effet de couplage entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement peut menacer la sécurité du système d’arbre supercritique. Par conséquent, clarifier le mécanisme de vibration couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement est d’une grande importance pratique pour la conception dynamique avancée des systèmes d’arbre supercritiques.

Les recherches existantes n’ont pas pris en compte les changements dans l’intervalle de frottement causés par le désalignement d’installation des roulements, ce qui entraîne une compréhension incomplète de ce mécanisme de vibration couplé. Par conséquent, cet article établit un modèle géométrique couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement, dérive la force d’excitation de frottement à six degrés de liberté (6-DOF), établit un modèle dynamique du système d’arbre supercritique, révèle le mécanisme de vibration couplé, et valide l’exactitude du modèle par des expériences.

Source de l’article

Cet article est co-écrit par Chao Zhang, Meijun Liao, Yixi She, Hu Yu, Xiaoyu Che, Liyao Song, Rupeng Zhu, Weifang Chen et Dan Wang. Les auteurs sont affiliés au Laboratoire national clé de technologie de transmission des hélicoptères de l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Nanjing et à l’Institut de recherche sur les moteurs aéronautiques de Hunan de l’AECC. L’article a été accepté le 13 février 2025 et publié dans la revue Nonlinear Dynamics.

Processus de recherche

1. Modélisation dynamique

a) Modèle d’éléments finis du système

Le système d’arbre supercritique étudié dans cet article est composé d’un accouplement à cannelures, d’un arbre, d’un amortisseur à friction sèche, de supports, d’un groupe de diaphragmes, etc. L’amortisseur à friction sèche est utilisé pour limiter l’amplitude excessive de l’arbre lors du franchissement de la vitesse critique, tandis que le groupe de diaphragmes est le composant principal de l’accouplement à diaphragmes, utilisé pour compenser le désalignement. Sur la base des caractéristiques structurelles du système d’arbre, un modèle d’éléments finis du système a été établi, avec des nœuds définis aux positions d’installation et de connexion de chaque composant ainsi qu’aux positions de changement brusque de la taille de l’arbre.

b) Modèle géométrique couplé

Pour décrire le désalignement du système causé par le désalignement d’installation des roulements, un modèle géométrique couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement a été établi. Ce modèle suppose que la largeur de l’amortisseur à friction sèche est bien inférieure à la longueur de l’arbre, ce qui permet d’ignorer les variations du désalignement et de la force de frottement le long de la largeur de l’amortisseur. À travers ce modèle, les variations de l’angle de désalignement et de l’intervalle de frottement ont été dérivées.

c) Force d’excitation due au désalignement d’installation des roulements

L’angle de désalignement du groupe de diaphragmes introduit une force d’excitation due au désalignement. En établissant un système de coordonnées couplé, les forces et moments de réaction supplémentaires du groupe de diaphragmes ont été dérivés, et ces forces et moments ont été appliqués comme charges périodiques sur l’arbre en rotation.

d) Force d’excitation due au frottement

L’amortisseur à friction sèche est composé d’un anneau de friction, d’un ressort de précharge, d’une rondelle de friction, d’une entretoise, d’un boulon, d’un écrou, d’un support, etc. Lorsque le système d’arbre franchit la vitesse critique, l’arbre entre en collision avec l’anneau de friction, introduisant une force d’amortissement par friction. En analysant le mécanisme d’action de la force de frottement, l’expression de la force d’excitation due au frottement a été dérivée.

e) Équation dynamique du système

Sur la base de la méthode des éléments finis en dynamique des rotors, les matrices caractéristiques de l’arbre, de l’accouplement à cannelures, des roulements et du groupe de diaphragmes ont été assemblées pour obtenir les matrices de masse, de rigidité et de gyroscopie du système d’arbre. En appliquant les forces d’excitation dues au déséquilibre, au désalignement d’installation des roulements et au frottement, l’équation dynamique du système d’arbre supercritique a été établie.

2. Résultats et discussion

a) Mécanisme de vibration du désalignement d’installation des roulements

En analysant l’effet du désalignement d’installation des roulements sur les caractéristiques dynamiques du système, il a été constaté que le désalignement introduit des composantes harmoniques d’ordre supérieur, entraînant une trajectoire de l’axe irrégulière et provoquant des phénomènes de résonance superharmonique dans le système d’arbre.

b) Mécanisme de vibration du frottement

Le phénomène de frottement augmente significativement la vitesse critique du système d’arbre et excite des composantes de fréquence de frottement. La force de frottement réduit l’étendue de la trajectoire de l’axe et introduit des effets de couplage flexion-torsion et flexion-axe.

c) Mécanisme de vibration couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement

Le désalignement d’installation des roulements réduit l’intervalle de frottement, augmente la force de frottement, entraîne une plus grande plage de frottement, et peut même provoquer un phénomène de tourbillon inverse, affaiblissant ainsi les performances d’amortissement de l’amortisseur à friction sèche. Le désalignement d’installation des roulements entraîne une déviation de la trajectoire de l’axe, avec un angle de déviation approximativement égal à la valeur arctangente du désalignement vertical sur le désalignement horizontal, ce qui peut être utilisé pour analyser la forme du désalignement d’installation des roulements.

3. Validation expérimentale

Pour valider l’exactitude du modèle dynamique du système d’arbre supercritique établi dans cet article, un banc d’essai dynamique pour système d’arbre supercritique a été construit et des expériences ont été menées. Les résultats expérimentaux montrent une bonne concordance avec les prédictions du modèle théorique, validant ainsi l’exactitude du modèle.

Conclusions de la recherche

En établissant un modèle géométrique couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement, en dérivant la force d’excitation de frottement à six degrés de liberté, et en établissant un modèle dynamique du système d’arbre supercritique, cet article a révélé le mécanisme de vibration couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement, et a validé l’exactitude du modèle par des expériences. Les résultats de la recherche montrent que le désalignement d’installation des roulements réduit l’intervalle de frottement, augmente la force de frottement, entraîne une plus grande plage de frottement, et peut même provoquer un phénomène de tourbillon inverse, affaiblissant ainsi les performances d’amortissement de l’amortisseur à friction sèche. La méthode d’analyse proposée dans cet article fournit un soutien théorique et technique pour la conception dynamique des systèmes d’arbre supercritiques.

Points forts de la recherche

1. Proposition du modèle géométrique couplé : Cet article propose pour la première fois un modèle géométrique couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement, tenant compte des changements dans l’intervalle de frottement, offrant une nouvelle perspective pour comprendre le mécanisme de vibration couplé.
2. Dérivation de la force d’excitation de frottement à six degrés de liberté : Cet article dérive la force d’excitation de frottement à six degrés de liberté, fournissant une base théorique pour la modélisation dynamique des systèmes d’arbre supercritiques.
3. Validation expérimentale : En construisant un banc d’essai dynamique pour système d’arbre supercritique, cet article valide l’exactitude du modèle dynamique, offrant un soutien théorique fiable pour les applications pratiques.

Signification de la recherche

Les résultats de cette recherche approfondissent la compréhension du mécanisme de vibration couplé entre le désalignement d’installation des roulements et le frottement, et fournissent une base théorique et un soutien technique pour la conception dynamique des systèmes d’arbre supercritiques. Cette recherche est d’une grande importance pour améliorer la sécurité et la fiabilité des systèmes d’arbre de transmission aéronautiques, tout en offrant de nouvelles idées et méthodes pour la recherche dans des domaines connexes.