为了追求高效,高转速透平机组在过程流体机械中的应用越来越广泛,多级齿轮箱的传动作用不可忽略。利用有限元法对齿轮轴系进行建模,在保证求解效率的同时,考虑全自由度、齿轮啮合和箱体柔度,仿真更贴近实际的弯-扭-轴向耦合振动。同时高转速往往是以牺牲系统稳定性为代价的,轴承瓦温升高、工作表面磨损、功耗增加等问题得到密切关注。经高速比传动,柔长的高速轴应力集中,因此对薄弱处进行寿命估计对防止振动破坏有一定指导意义。本文根据高速齿轮系统耦合稳态和瞬态相关问题,主要工作和贡献如下:(1)利用有限元法对齿轮轴系建模,考虑弯-扭-轴共6个自由度,将旋转轴简化建模为Timoshenko梁单元。啮合单元简化为一对线弹性弹簧刚度,结合齿轮几何参数和对啮合力受力分析,将其表达成Stringer推导的12 × 12阶的啮合刚度矩阵,并开发出齿轮箱弯-扭-轴向耦合振动分析动力学软件。(2)以三平行轴系膨胀机为例,将叶轮和齿轮都建模作为集中质量,轴承单元简化为线性弹簧。对齿轮箱柔性箱体进行谐响应分析,在箱体轴承支承点施加单位正弦力,扫频得到箱体与各轴耦合点的响应曲线,推导轴承支承点间的频响函数矩阵,进而拟合得到柔性箱体局部传递函数。开发考虑箱体反馈振动的等效刚度计算程序,获得新的轴承动刚度矩阵,建立转轴-轮盘-齿轮-轴承-箱体耦合的高速齿轮系统,并进行了动力学特性分析,结合测试数据,提出齿轮箱存在的故障。(3)开发齿轮轴系啮合力计算分析软件。对齿轮啮合力、气动力、作用在叶轮上的驱动扭矩、推力环在接触点的轴向作用力进行受力分析,用Matlab软件开发的COMDYN_Gearload软件计算齿轮-轴承支反力,可准确计算齿轮轴系工作过程中的轴承载荷,进一步得到轴承特性参数。(4)基于可倾瓦轴承的高稳定性,分析不同转子负荷、宽径比、预负荷、半径间隙等几何参数对轴承静动特性参数、齿轮箱轴系固有特性和系统稳定性的影响规律和对振动响应的影响,最终获取低瓦温、低功耗、高效率、高稳定性的可倾瓦轴承参数。(5)对大扭矩齿轮压缩机组的启车和短路工况进行扭转瞬态分析,用Newmark-β法逐步积分求解节点角位移,观察各轴段扭矩和应力,利用雨流计数和Miner线性法则来对轴系薄弱单元进行累积疲劳分析,进而得到启车扭矩和短路故障对齿轮轴系的破坏程度。本文基于轴系间齿轮啮合作用,开发弯-扭-轴六自由度耦合模型。结合结构的特性参数及传递函数,完善转轴-轮盘-齿轮-轴承-箱体耦合模型。在平行轴系不平衡、轴承特性和瞬态扭转等方面展开转子动力学基础研究。