耦合故障复杂转子—轴承非线性系统的运行稳定性及其实验研究

发布时间：2020-11-04 08:38

　　 旋转机械是在工业部门中应用最为广泛的一类机械设备,它的稳定运行影响着整个工业的发展进程。随着社会的发展需要,现代旋转机械正朝着高速、重载、自动化和复杂化方向发展,由此所引发的问题也越来越多。由于运行环境比较恶劣,复杂高速的旋转机械时常由于非线性因素激发起各种故障,使系统失去稳定性甚至发生毁机事故,这些事故一般情况下所造成的经济损失、人员伤亡和社会危害是难以估量的,因此对旋转机械的稳定性研究是十分必要的。以往对转子系统的非线性特性及稳定性研究一般采用简单的动力模型,对于较为复杂的工程机组,这类模型已经不能胜任。因此,对复杂转子-轴承系统建模和运行稳定性研究有着十分重要的现实意义,目前国内外一些科技工作者也开始注意到这方面的问题,并取得了一定的成果。 本课题以东北大学与沈阳鼓风机(集团)有限公司联合进行的“大型压缩机转子振动实验系统”横向课题为背景,以闻邦椿教授提出的“基于系统工程的产品综合设计理论与方法”框架内的动态优化设计应用研究为目的,进行了含故障复杂转子-轴承系统,即含单故障/耦合故障的单跨双盘转子-轴承系统、含耦合故障的双跨多盘的转子-轴承系统的周期运行稳定性及分岔特性的理论和实验研究。具体研究内容和如下: (1)研究了求解复杂转子-轴承非线性系统周期解及判断其稳定性、分岔的延拓打靶算法,以有限元理论为基础开发了转子-轴承非线性动力学工具箱,该工具箱共含50余个子函数,功能包括:计算临界转速,材料阻尼系数,弹性支承系统的时域及频域响应,单跨和多跨非线性转子系统时域、频域响应,以及分岔、混沌、稳定性等问题。其中非线性因素包括油膜支承、裂纹、碰摩等。为获得较高的计算精度和有效地节约计算成本,工具箱含有无量纲化和降维处理等功能。 (2)建立了油膜支承双盘转子-轴承系统非线性动力学模型,利用求解非线性系统周期解的延拓打靶方法,研究了系统在偏心量-转速、偏心相位-转速、轴承长径比-转速、轴承间隙-转速、润滑油动力粘度-转速参数域内的系统稳定性及分岔行为,得到了系统周期运行的失稳规律;搭建相应的实验装置,通过实验研究了油膜支承的转子-轴承系统失稳特性及非线性振动特征。研究发现系统的同频周期运动主要以倍周期、Hopf分岔失稳,并且随着某一参数的变化系统的拓扑结构和吸引域发生变化,使系统分岔曲线会发生跳跃突变现象,通常情况下,随着分岔类型的跳跃变化失稳转速也会发生突变。 (3)以油膜支承含碰摩故障双盘转子-轴承系统为研究对象,分析了碰摩转子-轴承系统对于不同碰摩位置在摩擦系数-转速、碰摩间隙-转速参数域内系统周期运动的失稳分岔行为及其规律;开发了配套的碰摩监测装置,并搭建了相应的实验装置,验证了主要的分析结果。研究发现不同的碰摩位置和偏心量对系统的稳定性和动态特性着很大的影响,这里认为碰摩故障比较容易改变系统的拓扑结构;当碰摩故障加重时容易干扰“油膜涡动”及“油膜振荡”的发生,使失稳转速出现延迟现象,碰摩故障容易使频域响应出现倍频成份。 (4)对于油膜支承含裂纹故障的双盘转子-轴承系统,分析了裂纹转子系统对于裂纹在偏心量-转速、裂纹深度-转速、裂纹位置-转速参数域内系统运行稳定性及失稳规律;并做了相应的验证实验。研究发现裂纹的存在以及位置的变化对系统失稳转速和失稳类型的影响并不是很大,随着裂纹的扩展失稳转速有缓慢升高趋势,主要原因是由于裂纹的存在干扰了油膜涡动的形成,但这并不是说裂纹的存在是有益的,它的存在将给机组带来很大隐患,对于数值计算当裂纹深度达到一定程度时将会发散而无法计算,对应于工程现场将会出现毁机事故,因此转子系统中的裂纹故障是必须避免的。 (5)对于含有碰摩-裂纹耦合故障的双盘多自由度转子-轴承系统,分析了其偏心量-转速、碰摩间隙-转速、裂纹深度-转速参数域内的运行稳定性及分岔规律,并做了相应的实验进行验证。研究发现随着偏心量的增加,系统失稳转速有降低趋势,当转盘的偏心量增大到一定程度时,由于定子对其限制作用会使系统的失稳转速升高:当碰摩间隙减小时,同样因为增大了碰摩力使系统失稳转速有升高现象;另外在碰摩和裂纹耦合故障的转子-轴承系统中,碰摩故障对系统的影响较为明显,裂纹对系统稳定性的影响相对于碰摩故障稍微弱一些。 (6)建立了考虑油膜支承含碰摩-裂纹耦合故障的双跨转子-轴承系统动力学模型,研究了其在偏心量-转速、碰摩间隙-转速、裂纹深度-转速参数域内研究稳定性及分岔行为,并做了相应的验证实验。研究表明双跨转子-轴承系统的失稳特性不同于前面单跨系统,其分岔类型和失稳转速并没有出现突变现象,这主要是由转子系统本身的结构特性所决定的。对于含耦合故障双跨系统的实验研究表明,由于弹性联轴器的作用,使两端转子的响应表现出一强一弱的现象;大偏心量使系统的失稳转速升高,并且碰摩故障的特性表现得较为明显一些。
【学位单位】：东北大学　
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH133.3;TH165.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 选题背景和课题研究的目的与意义
    1.2 非线性振动系统的研究方法与现状
        1.2.1 结构稳定性与分岔
        1.2.2 非线性系统分岔问题的研究方法
    1.3 非线性转子-轴承系统的动态特性与稳定性研究现状
        1.3.1 含油膜力转子-轴承系统动力学特性与稳定性的研究现状
        1.3.2 碰摩转子轴承系统动力学特性与稳定性的研究现状
        1.3.3 裂纹转子轴承系统动力学特与稳定性的研究现状
        1.3.4 耦合故障复杂转子轴承系统动力学特性与稳定性研究现状
    1.4 问题的提出与本文的主要研究内容
第二章 转子-轴承非线性系统运行稳定性的数值研究方法
    2.1 概述
    2.2 转子-轴承非线性系统及基本概念
        2.2.1 转子-轴承非线性系统的一般表述
        2.2.2 Poincaré映射
    2.3 非线性系统周期解的稳定性与分岔理论
        2.3.1 摄动理论与稳定性
        2.3.2 Floquet理论
    2.4 非线性系统稳定性分岔的数值分析方法
        2.4.1 求解非线性系统周期解的打靶法
        2.4.2 求解非线性系统的迭代方法
        2.4.3 确定迭代初始值的延拓法
    2.5 多自由度转子-轴承系统模型的建立与求解
        2.5.1 有限元理论基础
        2.5.2 非线性油膜力模型
        2.5.3 动力系统的无量纲化与降维
        2.5.4 大型非线性系统系统的求解方法
    2.6 数值算例分析
        2.6.1 动力学方程
        2.6.2 求解结果与分析
        2.6.3 两类模型分析结果的比较
    2.7 本章小结
第三章 油膜支承双盘转子-轴承系统的运行稳定性及分岔研究
    3.1 概述
    3.2 油膜支承双盘转子-轴承系统的动力学模型
        3.2.1 转子-轴承系统数学模型的建立
        3.2.2 降维模型的确定与结果验证
    3.3 转子-轴承系统的分岔及稳定性分析
        3.3.1 偏心量对系统运动稳定性的影响
        3.3.2 偏心初始相位对系统运动稳定性的影响
        3.3.3 轴承长径比对系统运动稳定性的影响
        3.3.4 轴承间隙对系统运动稳定性的影响
        3.3.5 润滑油动力粘度对系统运动稳定性的影响
    3.4 油膜故障转子-轴承系统动力学行为实验研究
        3.4.1 实验装置及实验方案
        3.4.2 实验结果分析
    3.5 本章小结
第四章 两处碰摩转子-轴承系统的运行稳定性及分岔研究
    4.1 概述
    4.2 两处碰摩故障转子-轴承系统的动力学模型
        4.2.1 数学模型的建立
        4.2.2 降维模型的确定与验证
    4.3 系统的分岔及稳定性分析
        4.3.1 碰摩位置对系统运动稳定性的影响
        4.3.2 碰摩间隙对系统运动稳定性的影响
        4.3.3 摩擦系数对系统运动稳定性的影响
    4.4 两处碰摩故障转子-轴承系统的动力学行为实验研究
        4.4.1 实验装置及实验方案
        4.4.2 实验结果分析
    4.5 本章小结
第五章 双盘裂纹转子-轴承系统的运行稳定性及分岔研究
    5.1 概述
    5.2 双盘裂纹故障转子-轴承系统的动力学模型
        5.2.1 裂纹故障转子-轴承系统的动力学模型
        5.2.2 含横向裂纹轴段的有限单元模型
        5.2.3 降维模型的确定与验证
    5.3 含裂纹转子-轴承系统的分岔及稳定性分析
        5.3.1 偏心量对裂纹故障系统运动稳定性的影响
        5.3.2 裂纹深度对系统运动稳定性的影响
        5.3.3 裂纹位置对系统运动稳定性的影响
    5.4 含裂纹故障转子-轴承系统动力学行为实验研究
        5.4.1 实验装置及实验方案
        5.4.2 实验结果分析
    5.5 本章小结
第六章 碰摩-裂纹转子-轴承系统的运行稳定性及分岔研究
    6.1 概述
    6.2 碰摩与裂纹耦合故障转子-轴承系统的动力学模型
        6.2.1 碰摩与裂纹耦合故障转子-轴承系统的动力学模型
        6.2.2 降维模型的确定与验证
    6.3 系统的分岔及稳定性分析
        6.3.1 偏心量对耦合故障系统运行稳定性的影响
        6.3.2 碰摩间隙对系统运动稳定性的影响
        6.3.3 裂纹深度对系统运动稳定性的影响
    6.4 碰摩与裂纹耦合故障转子-轴承系统动力学行为实验研究
        6.4.1 实验装置及实验方案
        6.4.2 实验结果分析
    6.5 本章小结
第七章 碰摩-裂纹双跨转子-轴承系统的运行稳定性及分岔研究
    7.1 概述
    7.2 含耦合故障双跨转子-轴承系统的动力学模型
        7.2.1 碰摩与裂纹耦合故障双跨转子-轴承系统的动力学模型
        7.2.2 降维模型的确定与验证
    7.3 双跨转子系统的分岔及稳定性分析
        7.3.1 偏心量对耦合故障双跨系统运行稳定性的影响
        7.3.2 碰摩间隙对含裂纹故障双跨系统运行稳定性的影响
        7.3.3 裂纹深度对含碰摩故障双跨系统运行稳定性的影响
    7.4 碰摩-裂纹耦合故障双跨转子-轴承系统动力学行为实验研究
        7.4.1 实验装置及实验方案
        7.4.2 实验结果分析
    7.5 本章小结
第八章 结论与展望
    8.1 结论
    8.2 主要创新点
    8.3 展望
参考文献
致谢
附录A 轴段单元相关公式
附录B 碰摩监测装置电路图
附录C 作者简介
附录D 攻读博士期间获得荣誉与奖励
附录E 攻读博士期间参加的科研项目
附录F 攻读博士期间发表与录用的学术论文

【引证文献】

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本文编号：2869883