大型旋转机械是国家基础设施和基础工业中最关键和最核心的设备之一。随着现代生产和科学技术的进步，高速、重载、轻型化和自动化正成为旋转机械的发展方向，这对其在速度、容量、效率和安全可靠性等方面提出了越来越高的要求，运转中出现的故障也引起人们越来越多的关注。由于大型旋转机械的动力学问题大都具有非线性的特征，因而用非线性理论研究大型旋转机械故障的动力学问题就成为非线性转子动力学中的重大课题，这对于大型旋转机械的安全运行，对于社会生活和经济发展都具有重大意义。 本文应用现代非线性动力学理论，以旋转机械的转子-轴承系统为主要研究对象，概述了转子动力学的研究历史与现状，并针对故障转子系统中经常涉及的几个问题作了详细的介绍。在此基础上，应用数值计算方法，采用非线性非稳态油膜力模型，对支座松动故障、裂纹故障以及松动-碰摩耦合故障引起的分岔与混沌等非线性动力学现象以及相关的故障特征作了深入的研究。主要的工作有以下几个方面： 1.针对转子—轴承系统中一端支座与基础之间出现松动的情况建立了一个简单的转子系统数学模型，用数值模拟方法研究了转盘和支座的稳态响应随转速比变化的分叉和混沌情况，分析了系统的周期、拟周期、混沌运动及一些相关的现象。结果表明，当出现松动故障时，即便是在较高转速区也会出现周期3分频运动，而且支座发生松动振动时很容易引起系统的1/3及其倍数次的振动频谱分量。 2.针对转子—轴承系统中两端支座与基础之间同时出现松动的情况建立了简单的转子系统数学模型，模拟结果表明，当转速比较大时，两个松动支座的振动会相互抑制；当转速比很大时，这种抑制消失。 3.通过对发生支座松动故障转子—轴承系统的数值模拟，得到了以下支座松动故障的特征： a波形图的特征：当支座的振动位移没有达到最大间隙值时，只有波形的下部出现削波现象；当支座的振动位移达到了最大间隙值时，那么它的波形的上部和下部都会出现削波现象。 b频谱图的特征：当松动支座的振动位移没有达到最大松动间隙值时，在它的频谱图中除了1倍频分量外频谱成分多以低频为主，同时可能伴随幅值较小的高频成分。受其影响，与其相对应的轴颈以及转盘的谱图中也会出现或多或少的低频成分，其中y方向的低频成分比x方向的要丰富一些，幅值也要大一些。但是当松动支座的振动位移达到最大松动间隙值时，在它的谱图中会出现非常突出的较高的频率分量，而1倍频却消失了。 c轴颈的轴心轨迹以及支座的Poincare截面图和相轨迹的特征：当支座的振幅小于最大间隙值时，轴颈的运动轨迹为“柱状”，支座的Poincare映射点具有分形特点；当支座的振幅大于最大间隙值时，轴颈的运动轨迹表现为沿y轴的剧烈振动，支座的Poincare映射点形成旋转90°的大写U形，这时其相轨迹轮廓的左右两边弧度都很大。 4.针对转子—轴承系统中支座松动和碰摩耦合故障建立了简单的转子系统数学模型，利用数值积分等方法对其进行数值模拟。考察了在转速比发生变化的条件下，当改变最大松动间隙值时发生松动和碰摩耦合故障转子系统的分岔与混沌特性，并将其分别与在相同参数条件下带有支座松动故障或碰摩故障的转子-轴承系统进行了比较，得到如下结论：该系统的碰摩故障与松动故障很容易发生在以下三个转速区：主共振区、油膜振荡区以及转速比大于3.4的转速范围内。其中发生碰摩故障时系统的运动多为混沌运动。随着松动最大间隙值的减小，碰摩的转速范围越来越大，而支座发生较大幅值振动的转速范围越来越小。在该耦合故障系统中，尽管一种故障发生的转速范围和振动形式会因另一种故障的存在而有所不同，但该耦合故障系统中两种故障的产生相对独立。另外，在很多转速比处出现了解的跳跃现象，这说明该系统可能在较大的转速范围内存在多吸引子共存的现象。当发生碰摩故障时，一般来说，振动波形会产生削波的现象，但有时也表现不太明显。在转速较低时，转盘的频谱特征是以1倍频为主，伴有幅值较小的2倍频分量。当转速较大时，频谱图中除了有1倍频分量外，还有更为明显的低频分量，同时在1倍频和4倍频之间伴有幅值较小并且渐弱的高频分量。 5.本文以刚性支撑的水平Jeffcott裂纹转子为研究对象，在考虑裂纹开闭、轴的位移和轴的刚度三者之间相互耦合的情况下，建立了考虑盘摆振运动的裂纹转子的运动微分方程，采用数值模拟方法，分析了该转子的弯曲振动以及摆振的运动特性，讨论了裂纹深度、裂纹角等参数对运动特性的影响，结果表明：对于裂纹转子系统，摆振频谱图中除了具有与弯曲振动相同的频率成分外，还具有更高的频率成分。当转速比增大到一定程度时，弯曲振动响应中只有1倍频分量，但在摆振响应中，即便转速比很大，它的频谱图也不是单一的1倍频，而是具有多种频率成分。裂纹深度的增加对弯曲振动频谱图中的频率成分几乎没有影响，而摆振频谱图中会增加更多的高频分量。裂纹角β的改变不影响频率成分，但对于各频率成分的幅值却有不同程度的影响。考虑摆振后的裂纹转子的弯曲振动和摆振振动均发生了在1/N(N=2，3，5)的分数次的频率共振现象。