旋转机械是指大型汽轮发电机组、水轮发电机组、核电机组、航空航天发动机、高速压缩机、离心机、离心泵和高精度机床等以转子系统为工作主体的机械设备，它们广泛应用于电力、石化、冶金、机械、航空等各工业部门。大型旋转机械是一个复杂的多自由度非线性振动系统，随着系统中有关参数的改变，在某些条件下系统数学模型的结构将发生变化，运动从稳定变为不稳定，出现分岔失稳现象。引起失稳的主要物理因素有:油膜力、密封力、转轴的刚度不对称、转轴材料的粘弹性特性和转轴的结构阻尼、转子与静子碰摩和转子的裂纹等。转子系统失稳后会产生较大的低频振动分量，系统运动成为非协调进动，系统转轴中产生幅值很大的交变应力，转子失稳状态的长期存在直接威胁系统的安全运行。因此，研究转子系统的自身参数变化对系统动力学稳定性的影响，研究系统周期解随工作转速的变化情况及其失稳后的运动规律，对大型旋转机械的长期安全稳定运行具有重要的理论意义和工程实用价值。　　本文以典型的故障旋转机械转子系统为主要研究对象，首先介绍了本课题研究过程中采用的非线性动力学基本理论，为研究工作奠定理论基础。在此基础上，较详细地分析研究了非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统的碰摩、裂纹、松动等故障的周期运动稳定性及其分岔失稳规律。主要工作表现在以下几个方面:　　(1)建立了非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统的力学模型，讨论了转子-定子-轴承系统在只承受油膜力作用的理想情况下转子系统的响应，用数值积分法和Runge-Kutta对非稳态油膜力进行了分析，研究结果表明，油膜力的形状及刚度与转速密切相关，并且在升速过程中油膜力显示出强非线性的特点;进行了转子系统油膜失稳实验，实验结果和力学模型结果相似，验证了模型的合理性。　　本文在进行非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统关键问题的研究过程中，由于将转子-定子-轴承系统作为一个整体进行研究，比单纯割裂转子系统为“转盘+转轴”组合的2质量4自由度力学模型更接近生产实际，因而理论价值更为彰显。　　(2)建立了非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统碰摩故障的力学模型，利用数值积分和Runge-Kutta法，运用Matlab语言程序、OriginPro软件等工具，分析研究了在激励频率、偏心量和阻尼作为唯一控制参数时，转子-定子-轴承系统的周期运动及其失稳规律。研究结果表明，由于油膜力的作用，系统主要以拟周期运动和倍周期运动为主;当转动角速度在2倍临界转速附近时，系统发生油膜涡动现象;当转动角速度增大时，不平衡量的存在使转子系统由不稳定运动逐渐向周期运动演变;阻尼系数的改变对转子的运动状态影响较大，增大阻尼系数会导致振动幅值范围加大，甚至发生转子运动失稳;当转子发生碰摩故障后，系统运动出现丰富的倍周期、拟周期和混沌运动，进一步研究发现，转子系统响应具有两条通向混沌的道路:阵发性通向混沌的道路和拟周期经环面破裂通向混沌的道路。　　(3)建立了非稳态油膜力的转子-定子轴承系统裂纹故障的力学模型，利用数值积分和Runge-Kutta法，研究了在激励频率、偏心量和裂纹角作为唯一控制参数时，转子系统的失稳规律，通过时域波形图、轴心轨迹图、频谱图、Poincare截面和分岔图，详细讨论了系统在不同转速、不同偏心量和不同裂纹角等参数变化的情况下对转子系统运动特性的影响。研究结果表明，当转子系统出现裂纹时，转、定子幅频曲线上具有丰富的分数次频和倍频成分，反映在转子、定子的时域波形上看，低速时(ω≤300rad/s)定子振动幅频值变化更为剧烈;高速时(ω≥450rad/s)时，转子、定子时域图形出现同步振动;偏心量对运动的影响主要体现在出现分岔和混沌的时间上，当偏心量较大时，转子在较小的转速比下即出现分岔现象，而当偏心量较小时，转子在大转速比时才出现分岔现象;对于裂纹转子，存在一个使非定常运动最小的静不平衡范围，过大或过小的径向不平衡量将导致振幅增加，当裂纹方向与偏心方向夹角为0或π时，比夹角为π/2时转子的振动剧烈。　　(4)建立了非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统具有两端同时松动故障的力学模型，将研究的对象由传统的3质量、6自由度模型扩展至6质量12自由度，因模型以转子-定子-轴承系统作为研究对象更接近于生产实际而具有重要的意义。研究了在激励频率、不同偏心量和不同松动质量作为唯一控制参数时，转子系统周期运动的稳定性及其失稳规律。研究结果表明，出现松动故障的转子系统具有周期、拟周期、混沌等多种形式的运动，振动频谱出现1/3及其整数倍次的振动频谱分量，频谱成分多以低频为主，伴随幅值较小的高频成分，波形出现明显的削波现象，支座的轴心轨迹呈现出特殊的形状;轴承支座的松动质量发生变化时，不会影响转子系统的运动周期:当松动支座质量为20kg时，随着激励频率的变化，转子系统经历了P1→P3→拟周期→混沌运动的响向应过程;当支座松动质量为80kg时，随着激励频率的变化转子系统也经历了P-1→P3→拟周期→混沌运动的响应过程。