Analysis of bending-torsion coupling vibration characteristics of compressor shaft system considering hardening stiffness characteristics

ZHANG Hao; ZHAO Xiang; ZHANG Dongmei; ZUO Song

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.011

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Analysis of bending-torsion coupling vibration characteristics of compressor shaft system considering hardening stiffness characteristics

·Vibration·Noise·Monitoring·Diagnosis· | 更新时间：2026-06-16

- Analysis of bending-torsion coupling vibration characteristics of compressor shaft system considering hardening stiffness characteristics
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 6, Pages: 99-109(2026)
- 作者机构：
  
  中国人民解放军联勤保障部队工程大学，重庆 401331
- 作者简介：
  
  ZHAO Xiang, E-mail: 544623422@qq.com
- 基金信息：
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.011
  CLC： TH457
- Received：08 March 2024，
  
  Revised：2024-07-15，
  
  Published：15 June 2026
- 稿件说明：
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张皓，赵翔，张冬梅，等. 考虑硬刚度特性的压缩机轴系弯扭耦合振动特性分析［J］. 机械强度，2026，48（6）：99-109.

ZHANG Hao，ZHAO Xiang，ZHANG Dongmei，et al. Analysis of bending-torsion coupling vibration characteristics of compressor shaft system considering hardening stiffness characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：99-109.
张皓，赵翔，张冬梅，等. 考虑硬刚度特性的压缩机轴系弯扭耦合振动特性分析［J］. 机械强度，2026，48（6）：99-109. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.011.

ZHANG Hao，ZHAO Xiang，ZHANG Dongmei，et al. Analysis of bending-torsion coupling vibration characteristics of compressor shaft system considering hardening stiffness characteristics［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：99-109. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.011.

摘要

目的

为探究联轴器变刚度特征对轴系振动行为的影响规律，以压缩机电动机转子-联轴器-曲轴-轴承系统为对象进行研究。

方法

采用Lagrange法构建了轴系弯扭耦合动力学模型。通过数值仿真分析了联轴器变刚度特性、转速以及轴承间隙对系统振动响应、相空间轨迹及非线性行为（如混沌、分叉）的影响。

结果

结果表明，联轴器变刚度特性会导致相空间出现“锯齿形”波动，但对轴心轨迹变化规律影响较小。随着转速升高，变刚度特性诱发了混沌与分叉等非线性行为，导致共振峰右移且不稳定区幅值增大，相空间波动随轴承间隙减小而减弱。研究结果可为轴系弯扭耦合振动行为预测及运行转速选择提供指导。

Abstract

Objective

This study aims to investigate the influence of coupling variable stiffness characteristics on the vibration behavior of the shaft system. The motor rotor-coupling-crankshaft-bearing system of a compressor was selected as the research object.

Methods

A coupled bending-torsion dynamic model of the shaft system was constructed using the Lagrange method. The effects of variable stiffness

rotational speed

and bearing clearance on the vibration response and nonlinear behaviors were analyzed through numerical simulations.

Results

The results indicate that variable stiffness characteristics lead to "sawtooth" fluctuations in phase space

while the shaft center trajectory remains largely unaffected. As rotational speed increases

hardening stiffness induces nonlinear behaviors such as chaos and bifurcation

causing a rightward shift of resonance peaks

phase space fluctuations decrease with reduced bearing clearance. These findings provide a basis for predicting vibration behavior and guiding speed selection for shaft systems.

关键词

Keywords

references

汪海 . 往复式压缩机X级进排气管路系统脉动分析研究［D］. 沈阳：沈阳理工大学， 2023 ： 1 - 3 .

WANG Hai . Study on pulsation analysis of X-stage inlet and exhaust pipeline system of reciprocating compressor ［D］. Shenyang ： Shenyang Ligong University ， 2023 ： 1 - 3 . （In Chinese）

李首霖 . 4M125型往复压缩机及其温度计套管设计分析［D］. 沈阳：东北大学， 2019 ： 1 - 2 .

LI Shoulin . Design and analysis of thermowells for reciprocating compressor ［D］. Shenyang ： Northeastern University ， 2019 ： 1 - 2 . （In Chinese）

谌璨 . 不平衡弯扭耦合转子动力学建模及振动特性研究［D］. 北京：北京化工大学， 2023 ： 11 - 44 .

CHEN Can . Research on modeling and vibration features of the unbalanced coupled bending-torsional rotors ［D］. Beijing ： Beijing University of Chemical Technology ， 2023 ： 11 - 44 . （In Chinese）

张金剑，张雷克，吴嵌嵌，等 . 动静偏心电磁激励下水电机组碰摩转子-轴承系统弯扭耦合振动特性分析［J］. 振动与冲击， 2021 ， 40 （ 12 ）： 236 - 245 .

ZHANG Jinjian ， ZHANG Leike ， WU Qianqian ， et al . Coupled bending-torsional vibration characteristics analysis for a rotor-bearing system with rub-impact of hydraulic generating set under both dynamic and static eccentric electromagnetic excitation ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2021 ， 40 （ 12 ）： 236 - 245 . （In Chinese）

周生通，朱经纬，周新建，等 . 组合载荷作用下动车牵引电机转子系统弯扭耦合振动特性［J］. 交通运输工程学报， 2020 ， 20 （ 1 ）： 159 - 170 .

ZHOU Shengtong ， ZHU Jingwei ， ZHOU Xinjian ， et al . Bending-torsional coupling vibration characteristics of EMU traction motor rotor system under combined loads ［J］. Journal of Traffic and Transportation Engineering ， 2020 ， 20 （ 1 ）： 159 - 170 . （In Chinese）

陆春荣，李以农，窦作成，等 . 齿轮-转子-轴承系统弯扭耦合非线性振动特性研究［J］. 振动工程学报， 2018 ， 31 （ 2 ）： 238 - 244 .

LU Chunrong ， LI Yinong ， DOU Zuocheng ， et al . Nonlinear vibration of bending-torsion coupling gear-rotor-bearing system ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2018 ， 31 （ 2 ）： 238 - 244 . （In Chinese）

任朝晖，谢吉祥，周世华，等 . 斜齿轮-转子-轴承弯扭轴耦合振动特性分析［J］. 机械工程学报， 2015 ， 51 （ 15 ）： 75 - 89 .

REN Zhaohui ， XIE Jixiang ， ZHOU Shihua ， et al . Vibration characteristic analysis of helical gear-rotor-bearing system with coupled lateral-torsional-axial ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2015 ， 51 （ 15 ）： 75 - 89 . （In Chinese）

杜文龙，李威，姜耸，等 . 负载激励下采煤机永磁电机转子系统弯扭耦合振动分析［J］. 振动与冲击， 2023 ， 42 （ 7 ）： 237 - 244 .

DU Wenlong ， LI Wei ， JIANG Song ， et al . Flexural-torsional coupled vibration analysis of shearer permanent magnet motor rotor system under load excitation ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 7 ）： 237 - 244 . （In Chinese）

SHI Y S ， ZHOU J Z ， LAI X J ， et al . Stability and sensitivity analysis of the bending-torsional coupled vibration with the arcuate whirl of hydro-turbine generator unit ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2021 ， 149 ： 107306 .

赵静 . 柴油机传动轴系非线性振动特性研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2020 ： 25 - 59 .

ZHAO Jing . Research on nonlinear vibration characteristics of diesel engine transmission shaft ［D］. Harbin ： Harbin Engineering University ， 2020 ： 25 - 59 . （In Chinese）

甄满，孙涛，田拥胜，等 . 膜盘联轴器-燃气轮机发电机组转子系统动力学分析［J］. 燃气轮机技术， 2019 ， 32 （ 2 ）： 44 - 51 .

ZHEN Man ， SUN Tao ， TIAN Yongsheng ， et al . Dynamic analysis of gas turbine generator unit with diaphragm coupling ［J］. Gas Turbine Technology ， 2019 ， 32 （ 2 ）： 44 - 51 . （In Chinese）

马建敏，韩平畴 . 柔性联轴器刚度非线性对扭转振动的影响［J］. 振动与冲击， 2005 ， 24 （ 4 ）： 6 - 8 .

MA Jianmin ， HAN Pingchou . Influence of nonlinear stiffness of flexible coupling on torsional vibration ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2005 ， 24 （ 4 ）： 6 - 8 . （In Chinese）

李凌轩，姚红良，刘子良，等 . 螺纹联轴器-转子系统的不对中角度慢变和突变研究［J］. 中国工程机械学报， 2012 ， 10 （ 3 ）： 269 - 275 .

LI Lingxuan ， YAO Hongliang ， LIU Ziliang ， et al . Slow and sudden variations of misalignment angles for flexible coupling-rotor system ［J］. Chinese Journal of Construction Machinery ， 2012 ， 10 （ 3 ）： 269 - 275 . （In Chinese）

YU Y X ， DING K K ， ZHAO T Y ， et al . Nonlinear dynamics of flexible diaphragm coupling's rotor system during maneuvering flight ［J］. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design ， 2023 ， 58 （ 3 ）： 236 - 254 .

王雪娇 . 内燃机曲轴弯扭耦合非线性振动分析［D］. 天津：天津大学， 2009 ： 64 - 65 .

WANG Xuejiao . The nonlinear analysis of coupled bending and torsion vibration of internal combustion engine crankshaft ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2009 ： 64 - 65 . （In Chinese）

陈宏威，向建华，刘帅，等 . 曲拐弯扭耦合振动影响规律研究［J］. 小型内燃机与车辆技术， 2016 ， 45 （ 4 ）： 65 - 70 .

CHEN Hongwei ， XIANG Jianhua ， LIU Shuai ， et al . The nonlinear study on coupled bending and torsion vibration of crank throw ［J］. Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique ， 2016 ， 45 （ 4 ）： 65 - 70 . （In Chinese）

王永亮，崔颖，韩聿，等 . 转子-滑动轴承系统动力学相似性研究［J］. 振动与冲击， 2017 ， 36 （ 1 ）： 153 - 160 .

WANG Yongliang ， CUI Ying ， HAN Yu ， et al . Dynamic similarity of rotor-sliding bearing systems ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2017 ， 36 （ 1 ）： 153 - 160 . （In Chinese）

刘杨，李炎臻，太兴宇，等 . 转子-滑动轴承系统松动-碰摩耦合故障分析［J］. 振动工程学报， 2016 ， 29 （ 3 ）： 549 - 554 .

LIU Yang ， LI Yanzhen ， TAI Xingyu ， et al . Characteristic analysis of looseness-rubbing coupling fault in rotor-sliding-bearing system ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2016 ， 29 （ 3 ）： 549 - 554 . （In Chinese）

孙晓东 . 海洋大功率往复式压缩机曲轴系统扭振特性分析［D］. 东营：中国石油大学（华东）， 2018 ： 12 .

SUN Xiaodong . The torsional vibration characteristics analysis of crankshaft system of marine high-power reciprocating compressor ［D］. Dongying ： China University of Petroleum （East China）， 2018 ： 12 . （In Chinese）

HUANG Z Q ， LI T ， CHEN Z ， et al . Torsional vibration response characteristics and structural optimization of compressor shaft system considering the effect of variable inertia ［J］. Iranian Journal of Science and Technology ，Transactions of Mechanical Engineering， 2023 ， 47 （ 2 ）： 527 - 540 .

赵英豪 . 束腰型叠片联轴器的力学特性研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020 ： 31 - 34 .

ZHAO Yinghao . Research on mechanical characteristics of beam waist type laminated coupling ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 ： 31 - 34 . （In Chinese）

HUANG Q W ， YAN X P ， ZHANG C ， et al . Coupled transverse and torsional vibrations of the marine propeller shaft with multiple impact factors ［J］. Ocean Engineering ， 2019 ， 178 ： 48 - 58 .

周欣 . 特种车辆柴油机传动系统非线性扭转振动计算研究［D］. 上海：上海交通大学， 2017 ： 16-17，83-89 .

ZHOU Xin . Research on nonlinear torsional vibration of transmission system for special vehicles ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2017 ： 16-17，83-89 . （In Chinese）

史冬岩，张成，任龙龙，等 . 滑动轴承压力分布及动特性系数［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2011 ， 32 （ 9 ）： 1134 - 1139 .

SHI Dongyan ， ZHANG Cheng ， REN Longlong ， et al . Research on the oil film pressure and dynamic coefficient of a sliding bearing ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2011 ， 32 （ 9 ）： 1134 - 1139 . （In Chinese）

王海，温建明 . 齿式橡胶联轴器动力力学建模与分析［J］. 石家庄铁道大学学报（自然科学版）， 2014 ， 27 （ 1 ）： 35 - 39 .

WANG Hai ， WEN Jianming . Dynamic modeling and analysis of gear rubber coupling ［J］. Journal of Shijiazhuang Tiedao University（Natural Science Edition）， 2014 ， 27 （ 1 ）： 35 - 39 . （In Chinese）

李芳，蔡耀全，朱来刚 . 冲击载荷下弹性联轴器刚度非线性特性影响［J］. 舰船电子工程， 2014 ， 34 （ 11 ）： 143 - 145 .

LI Fang ， CAI Yaoquan ， ZHU Laigang . Stiffness non-linear response of elastic coupling under impact load ［J］. Ship Electronic Engineering ， 2014 ， 34 （ 11 ）： 143 - 145 . （In Chinese）

张雷克，张金剑，王雪妮，等 . 水电机组转子-转轮弯扭耦合振动特性分析［J］. 水力发电学报， 2021 ， 40 （ 9 ）： 102 - 112 .

ZHANG Leike ， ZHANG Jinjian ， WANG Xueni ， et al . Analysis on coupled bending-torsional vibration behaviors of rotor-runner system of hydropower units ［J］. Journal of Hydroelectric Engineering ， 2021 ， 40 （ 9 ）： 102 - 112 . （In Chinese）

QUINZ G ， KLANNER M ， ELLERMANN K . Balancing of flexible rotors supported on fluid film bearings by means of influence coefficients calculated by the numerical assembly technique ［J］. Energies ， 2022 ， 15 （ 6 ）： 2009 .

LI T ， CHEN Z ， ZHANG K H ， et al . Analysis of the influence of piston-cylinder friction on the torsional vibration characteristics of compressor crankshaft system ［J］. Nonlinear Dynamics ， 2022 ， 110 （ 2 ）： 1323 - 1338 .

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