机械旋转部件的性能退化及其寿命预测方法研究
发布时间：2021-08-21 08:43
随着社会的进步、科技的发展、现代工业水平的提高,机械设备日益向大型化、高速化、精密化、系统化及自动化方向发展。为了满足生产要求,机械设备功能越来越复杂,工作环境更加恶劣多变,在长期运行过程中会逐渐老化,剩余寿命会逐步下降,发生故障的潜在可能性逐渐增加。故障一旦发生,不仅造成巨大的经济损失,甚至会导致灾难性的人员伤亡,形成严重的社会影响。重大机械设备如燃气轮机、航空发动机、风力发电机等,都离不开旋转部件。关键机械旋转部件如轴承、齿轮、转轴等的性能状态直接影响着机械设备能否长期安全可靠地运行。某一部件发生故障,都有可能引发一系列的连锁反应,导致整台设备乃至整条生产线的异常运行。机械旋转部件在服役过程中会经历由正常到退化直至失效的过程,这期间通常要经过一系列不同的性能退化状态。传统的故障诊断研究多是关注机械旋转部件健康和故障的二值状态,且进行故障诊断时,往往机械部件性能已严重退化。要想尽早地诊断出故障,更需要关注和了解机械旋转部件的性能退化过程。对机械旋转部件性能退化及其寿命预测方法的研究,有助于降低设备使用风险,避免因设备失效引起的灾难性事故,减少不必要的设备维护维修成本,提高设备使用效能...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．２坐标系示意图??
??图２．２坐标系示意图??转子的不平衡质量偏心距为ｈ偏心质量与＾坐标轴之间的夹角为质量偏心角转子??转动的角速度为ｆｔ），经过时间／转过角度转子系统的阻尼为ｃ，由于裂纹存在，??转子ｘ、ｙ方向的刚度分别为蚌，耦合刚度分别为心，。裂纹Ｊｅｆｆｃｏｔｔ转子在固定坐??标系ｘ－＿ｙ下的振动微分方程为：??ｍｙ＋ｃｙ?＋?ｋｙｙ?＋?ｋ＾ｘ?＝?ｍｅａｒ?ｃｏｓ（０?＋?Ｊ３）￣?ｍｇ??ｍ５ｃ＋ｃｘ?＋?ｋｘｘ?＋?ｋｘｙｙ?＝?ｍｅｃｏ２?ｓｉｎ（＾?＋?／？）?（２－８）??转子在固定坐标系下的刚度可以通过适当的变换由旋转坐标系下的刚度系数知、心、??知，、＾得到，??ｋｖ?．?ｒ?ｋｒ?ｋＣｎ＂??ｋ?ｋ?＝ｒ?／?；?ｒ?（２－９）??变换矩阵ｒ为：??ｆ?ｃｏｓ＾?ｓｉｎ?沒??ｒｌ－ｓｉｎ＾?ｃｏｓ＾Ｊ?（２－１〇）??解决转子振动问题的关键在于确定裂纹转子的刚度系数，它可以通过应变能释放法计??算柔度系数得到［１７１】。转轴的裂纹横截面图如图２．３所示，其中《为裂纹深度，乃为转轴直??径，？／坐标轴坐标为ｗ处的裂纹深度为ａ，于是有Ｙ?＝?＾／ｄ：－（２ｗ）２?？??２１??
图２．６不同转速下的裂纹转子性能遐化过程??偏心距ｅ＝ｌｘｌ〇－５ｍ、偏心角＾＝ｌ／２；ｒｒａｄ、阻尼系数（＝０．０１时，不同转速下裂纹转子的性??能退化寿命Ｒ如图２．７所示。７ｂ随转速变化没有单调性的规律，但是有几个性能退化寿??命较小的谷值。当转速在４６００ｒ／ｍｉｎ附近时性能遐化寿命变得很短，意味着裂纹转子会很??快发生遐化失效。这是由于转速４６００ｒ／ｍｉｎ接近无裂纹转子的一阶临界转速，从而导致共??振，振动幅值增大，使得转子性能快速退化。当转速在２９００ｒ／ｍｉｎ?（２／３倍临界转速）附近??时也出现性能遐化寿命减小的现象。退化速度快是由于此参数族下裂纹转子的振动变得不??稳定【ｌ８９－１９ｆｌｌ而发生分岔现象，分岔运动加速了转子的性能遐化。当转速在丨ｌＯＯｒ／ｍｉｎ、??１５００ｒ／ｍｉｎ、２３００ｒ／ｍｉｎ附近时，这些转速为临界转速的分数倍（１／２、丨／３、丨／４），性能退??化寿命也会减小，且随着转速越低减小得越少。这是由于当裂纹转子的转速为分数倍临界??转速时发生亚临界（ｓｕｂ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）共振造成的。??当转速在９１００ｒ／ｍｉｎ?（接近于无裂纹转子临界转速的二倍）附近时，退化速度较快且??初始的性能退化指标不是０．２?（如图２．６?（ｄ）所示）。原因是此情况下裂纹还没有扩展到??３３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于主动导波和快速集成经验模式分解算法的轴类构件损伤识别[J]. 吴伟林,肖涵,王涛. 机械设计与制造. 2017(06)
[2]一种基于能量参数的非局部缺口疲劳寿命预测方法[J]. 袁善虎,蒋洪德,陈海燕,刘丙权. 推进技术. 2017(03)
[3]基于UKF的轴承剩余寿命预测方法研究[J]. 阙子俊,金晓航,孙毅. 仪器仪表学报. 2016(09)
[4]微动磨损对过盈配合结构微动疲劳性能的影响[J]. 张远彬,鲁连涛,宫昱滨,曾东方. 摩擦学学报. 2016(04)
[5]基于HWPT-ZFFT的二维全息谱计算方法[J]. 李纪永,李舜酩,陈晓红,王勇. 振动.测试与诊断. 2016(01)
[6]谐波减速器柔轮摩擦磨损及失效机理研究进展[J]. 夏田,江鹏,马超,陈威,严瑞平. 机械传动. 2016(01)
[7]变工况下旋转机械故障跟踪的相空间曲变方法[J]. 范彬,胡雷,胡茑庆. 物理学报. 2013(16)
[8]基于相对特征和多变量支持向量机的滚动轴承剩余寿命预测[J]. 申中杰,陈雪峰,何正嘉,孙闯,张小丽,刘治汶. 机械工程学报. 2013(02)
[9]机械故障诊断基础研究“何去何从”[J]. 王国彪,何正嘉,陈雪峰,赖一楠. 机械工程学报. 2013(01)
[10]考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法[J]. 刘文光. 振动工程学报. 2012(01)
博士论文
[1]机械系统旋转部件退化跟踪与故障预测方法研究[D]. 钱宇宁.东南大学 2015
[2]大型汽轮机转子低周疲劳损伤评估问题研究[D]. 孙永健.上海交通大学 2014
[3]数控机床滚珠丝杠副性能退化机理与评估技术研究[D]. 黄海凤.西南交通大学 2013
[4]基于希尔伯特—黄变换的故障转子振动模式分析方法研究[D]. 熊炘.浙江大学 2012
硕士论文
[1]风机叶片裂纹损伤状态识别技术研究[D]. 靳子洋.上海电机学院 2016
[2]关节轴承协调接触模型与磨损寿命预测[D]. 方鑫.国防科学技术大学 2014
[3]基于改进的WVD的旋转机械故障诊断研究[D]. 刘伟.昆明理工大学 2013
[4]旋转机械全寿命状态评估与诊断研究[D]. 王冬.电子科技大学 2010
[5]基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳强度研究[D]. 曹俊伟.哈尔滨工程大学 2010
[6]基于磨削加工表面完整性的滚动接触疲劳寿命预测[D]. 卢光辉.上海交通大学 2009
本文编号：3355277
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．２坐标系示意图??
??图２．２坐标系示意图??转子的不平衡质量偏心距为ｈ偏心质量与＾坐标轴之间的夹角为质量偏心角转子??转动的角速度为ｆｔ），经过时间／转过角度转子系统的阻尼为ｃ，由于裂纹存在，??转子ｘ、ｙ方向的刚度分别为蚌，耦合刚度分别为心，。裂纹Ｊｅｆｆｃｏｔｔ转子在固定坐??标系ｘ－＿ｙ下的振动微分方程为：??ｍｙ＋ｃｙ?＋?ｋｙｙ?＋?ｋ＾ｘ?＝?ｍｅａｒ?ｃｏｓ（０?＋?Ｊ３）￣?ｍｇ??ｍ５ｃ＋ｃｘ?＋?ｋｘｘ?＋?ｋｘｙｙ?＝?ｍｅｃｏ２?ｓｉｎ（＾?＋?／？）?（２－８）??转子在固定坐标系下的刚度可以通过适当的变换由旋转坐标系下的刚度系数知、心、??知，、＾得到，??ｋｖ?．?ｒ?ｋｒ?ｋＣｎ＂??ｋ?ｋ?＝ｒ?／?；?ｒ?（２－９）??变换矩阵ｒ为：??ｆ?ｃｏｓ＾?ｓｉｎ?沒??ｒｌ－ｓｉｎ＾?ｃｏｓ＾Ｊ?（２－１〇）??解决转子振动问题的关键在于确定裂纹转子的刚度系数，它可以通过应变能释放法计??算柔度系数得到［１７１】。转轴的裂纹横截面图如图２．３所示，其中《为裂纹深度，乃为转轴直??径，？／坐标轴坐标为ｗ处的裂纹深度为ａ，于是有Ｙ?＝?＾／ｄ：－（２ｗ）２?？??２１??
图２．６不同转速下的裂纹转子性能遐化过程??偏心距ｅ＝ｌｘｌ〇－５ｍ、偏心角＾＝ｌ／２；ｒｒａｄ、阻尼系数（＝０．０１时，不同转速下裂纹转子的性??能退化寿命Ｒ如图２．７所示。７ｂ随转速变化没有单调性的规律，但是有几个性能退化寿??命较小的谷值。当转速在４６００ｒ／ｍｉｎ附近时性能遐化寿命变得很短，意味着裂纹转子会很??快发生遐化失效。这是由于转速４６００ｒ／ｍｉｎ接近无裂纹转子的一阶临界转速，从而导致共??振，振动幅值增大，使得转子性能快速退化。当转速在２９００ｒ／ｍｉｎ?（２／３倍临界转速）附近??时也出现性能遐化寿命减小的现象。退化速度快是由于此参数族下裂纹转子的振动变得不??稳定【ｌ８９－１９ｆｌｌ而发生分岔现象，分岔运动加速了转子的性能遐化。当转速在丨ｌＯＯｒ／ｍｉｎ、??１５００ｒ／ｍｉｎ、２３００ｒ／ｍｉｎ附近时，这些转速为临界转速的分数倍（１／２、丨／３、丨／４），性能退??化寿命也会减小，且随着转速越低减小得越少。这是由于当裂纹转子的转速为分数倍临界??转速时发生亚临界（ｓｕｂ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）共振造成的。??当转速在９１００ｒ／ｍｉｎ?（接近于无裂纹转子临界转速的二倍）附近时，退化速度较快且??初始的性能退化指标不是０．２?（如图２．６?（ｄ）所示）。原因是此情况下裂纹还没有扩展到??３３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于主动导波和快速集成经验模式分解算法的轴类构件损伤识别[J]. 吴伟林,肖涵,王涛. 机械设计与制造. 2017(06)
[2]一种基于能量参数的非局部缺口疲劳寿命预测方法[J]. 袁善虎,蒋洪德,陈海燕,刘丙权. 推进技术. 2017(03)
[3]基于UKF的轴承剩余寿命预测方法研究[J]. 阙子俊,金晓航,孙毅. 仪器仪表学报. 2016(09)
[4]微动磨损对过盈配合结构微动疲劳性能的影响[J]. 张远彬,鲁连涛,宫昱滨,曾东方. 摩擦学学报. 2016(04)
[5]基于HWPT-ZFFT的二维全息谱计算方法[J]. 李纪永,李舜酩,陈晓红,王勇. 振动.测试与诊断. 2016(01)
[6]谐波减速器柔轮摩擦磨损及失效机理研究进展[J]. 夏田,江鹏,马超,陈威,严瑞平. 机械传动. 2016(01)
[7]变工况下旋转机械故障跟踪的相空间曲变方法[J]. 范彬,胡雷,胡茑庆. 物理学报. 2013(16)
[8]基于相对特征和多变量支持向量机的滚动轴承剩余寿命预测[J]. 申中杰,陈雪峰,何正嘉,孙闯,张小丽,刘治汶. 机械工程学报. 2013(02)
[9]机械故障诊断基础研究“何去何从”[J]. 王国彪,何正嘉,陈雪峰,赖一楠. 机械工程学报. 2013(01)
[10]考虑结构裂纹扩展的振动疲劳寿命计算方法[J]. 刘文光. 振动工程学报. 2012(01)
博士论文
[1]机械系统旋转部件退化跟踪与故障预测方法研究[D]. 钱宇宁.东南大学 2015
[2]大型汽轮机转子低周疲劳损伤评估问题研究[D]. 孙永健.上海交通大学 2014
[3]数控机床滚珠丝杠副性能退化机理与评估技术研究[D]. 黄海凤.西南交通大学 2013
[4]基于希尔伯特—黄变换的故障转子振动模式分析方法研究[D]. 熊炘.浙江大学 2012
硕士论文
[1]风机叶片裂纹损伤状态识别技术研究[D]. 靳子洋.上海电机学院 2016
[2]关节轴承协调接触模型与磨损寿命预测[D]. 方鑫.国防科学技术大学 2014
[3]基于改进的WVD的旋转机械故障诊断研究[D]. 刘伟.昆明理工大学 2013
[4]旋转机械全寿命状态评估与诊断研究[D]. 王冬.电子科技大学 2010
[5]基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳强度研究[D]. 曹俊伟.哈尔滨工程大学 2010
[6]基于磨削加工表面完整性的滚动接触疲劳寿命预测[D]. 卢光辉.上海交通大学 2009
本文编号：3355277
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