转子系统不平衡—不对中—碰摩多故障数值仿真与实验研究

发布时间：2020-07-30 13:13

【摘要】：转子系统故障是制约旋转机械性能发挥的重要因素。在高转速、大功率及运行环境复杂等工况下,转子系统极易出现不平衡、不对中等故障,若不及时诊断,将会引发碰摩、基础松动等二次故障,加快设备失效。是以旋转机械若发生故障,常常以多故障形式出现。在转子系统中,不平衡、不对中和碰摩是最常见三种故障。本文以此三种故障为研究对象,建立多故障下转子系统动力学模型;结合仿真与实验两方面对多故障下转子振动响应特征进行了探究,为转子系统故障诊断提供了一定参考依据。另外旋转机械作为一个复杂机械系统,整机振动是反应其工作性能的重要指标;本文对课题组叶片转子实验台进行整机振动监测实验,结合故障特征有关理论与机匣模态实验对其工作状态进行有效探究。综合全文展开工作如下:(1)以课题组叶片转子实验台为对象,考虑基础、机匣等部件振动,运用集中质量法和拉格朗日原理建立含不平衡-不对中-碰摩多故障转子动力学模型。采用Runge-Kutaa算法求解系统振动响应,通过时域、频域和阶次瀑布图分析不平衡量、不对中量变化对多故障下转子振动响应特征的影响。在不平衡-不对中故障模式中,转子系统在临界转速一半时存在二倍频共振现象;增加不对中量主要增加系统二倍频分量,其轴心轨迹亦由椭圆向双环椭圆变化。在碰摩故障中,系统频域中存在高次谐波和分次谐波等分量。对兼有不平衡和碰摩故障转子,增加不平衡量会造成碰摩转速区间扩大、碰摩程度加剧。兼有不平衡、不对中和碰摩多故障转子系统,增大不平衡量和不对中量会加剧系统碰摩程度;在分次谐波存在转速区间内,三倍频分量有下降趋势。(2)基于CUT-2转子实验台进行了不平衡-不对中、不平衡-碰摩及不平衡-不对中-碰摩等多故障模拟实验。实验观察到在含不平衡和不对中转子系统中,增大不对中量其对应方向上二倍频分量增幅较大,一倍频分量有变化;不对中较大时其轴心轨迹为双环椭圆;在临界转速一半时二倍频出现共振。在含有碰摩故障实验中,系统发生碰摩时,存在高次谐波分量;增大不平衡量或不对中量均会加剧转子碰摩程度。实验结果定性地验证了部分仿真结果的正确性,说明仿真动力学模型的有效性。(3)对运行状态下叶片转子实验台进行整机振动监测实验,采集转轴、轴承座、基础和机匣等部位振动数据。结合时域、频谱及瀑布图对测试数据进行分析,发现远电机端转子振动位移信号中存在轴承外圈故障特征频率及高次谐波,初步判断此端轴承存在碰摩。对机匣筒壳结构进行模态实验,得出其模态振型与频率;对运行状态下机匣振动数据采用阶次分析得出其固有频率,对比模态实验结果有多阶频率保持一致。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133
【图文】：

叶片转子,实验台,子系统,系统结构

第三章转子系统不平衡-不对中-碰摩多故障数值仿真在对转子系统不平衡、不对中和碰摩故障机理及力学模型有充分认知基础上，文章采用集中质量法对课题组叶片转子实验台进行简化，考虑轴承座、机匣及基础等结构部件振动；建立转子系统多故障力学模型，运用数值积分方法求解振动响应以研究转子系统多故障下振动规律及特征。3.1 转子系统故障动力学模型如图 3.1，为实验室叶片转子实验台。该实验台主要包括叶片转子系统、联轴器、三相电机、轴承座、机匣及基座等部分。其中叶片转子系统为工作机构，轴上偏置安装有叶盘，两端采用7209C 角接触滚动轴承支承。其右侧采用联轴器与三相电机进行联接，同时轴承座通过螺栓连接到基座上；电机与机匣均安装于基座上。在工程实践中，旋转机械不可避免存在不平衡量；轴系之间采用联轴器联接，由于安装或基础沉降等造成不对中；叶轮叶片与机匣之间存在碰摩风险；该转子试验台为压气机模型；其结构具有普遍意义，能够对上述三种故障进行有效模拟仿真。

时域波形,振动位移,时域,轴承

转子系统不平衡-不对中-碰摩多故障数值仿真与实验研究(10)碰摩力参数碰摩刚度58.8 10rk N/m， 0.15， 0.24mm3.4.2 系统仿真参数校验为进一步验证文章 3.4.1 节仿真参数合理性，针对叶片转子实验台采集相关振动数据，具体实验方案等详见 5.1 节。如图 3.4 为转速为 1302RPM 时，右端轴承处转轴在水平和竖直方向振动位移时域图。CH0 为转速脉冲信号，CH1 代表水平振动位移，CH2 为竖直振动位移。如图可见，两方向振动位移时域波形大体为正弦波，频率与转频同步，同时混有少量高频分量。

谱图,阶次,轴承,谱图

r3.4.2 系统仿真参数校验为进一步验证文章 3.4.1 节仿真参数合理性，针对叶片转子实验台采集相关振动数据，具体实验方案等详见 5.1 节。如图 3.4 为转速为 1302RPM 时，右端轴承处转轴在水平和竖直方向振动位移时域图。CH0 为转速脉冲信号，CH1 代表水平振动位移，CH2 为竖直振动位移。如图可见，两方向振动位移时域波形大体为正弦波，频率与转频同步，同时混有少量高频分量。图 3.4 右端轴承实测振动位移时域图对图 3.4 中 CH1、CH2 信号运用阶次分析方法，得转速 1302RPM 振动阶次谱图，如图 3.5。水平和竖直方向振动位移信号以基频分量为主，杂以少量 2 倍频、3 倍频等高次谐波分量。

【参考文献】