旋转机械系统中松动引起的动力学分析与识别

发布时间：2017-08-12 07:03

  本文关键词：旋转机械系统中松动引起的动力学分析与识别

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【摘要】：旋转机械是各个工业领域中应用最为广泛的机械设备。在工程实际中，作为旋转机械核心部件的转子-轴承系统在运行时，由于非线性油膜力、碰摩力、密封力、松动间隙、非线性刚度和裂纹等非线性因素的存在，致使系统表现出耦合、突发、跳跃等复杂非光滑动态特性，因此转子-轴承系统往往是典型的非光滑动力学系统。本文在考虑非线性非稳态轴承油膜力基础上，建立了不同约束类型的转子-轴承动力学模型，用非线性动力学理论分析和数值模拟相结合的方法，从多角度深入分析了当转速、偏心、非线性刚度、松动支座质量、定子刚度等参数变化时，对转子-轴承系统动力学特性的影响，对揭示该类系统的故障机理以及系统动力学参数的优化设计具有重要的现实意义。 针对非线性非稳态油膜力作用下的理想刚性Jeffcott转子-轴承系统和考虑转轴的物理非线性因素的柔性转子-轴承系统,采用分岔图、最大Lyapunov指数图、相图、轴心轨迹图、Poincaré截面投影图、幅值谱图等非线性动力学方法对系统动力学行为特性进行了分析。得出结果：过大偏心量会使系统在转速不高的工况下出现油膜失稳；当偏心量较小时轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆，偏心量较大时轴心轨迹图呈香蕉形或8字形，频谱图主要表现为径向1/2倍频、1/4倍频等振动成份特征；弹性轴非线性刚度项对系统的非线性因素起到激发、放大的作用。 研究了轴承支座松动故障机理，建立有支座松动的非线性刚度转子-轴承系统动力学模型，数值模拟并且分析了系统在不同参数下的非线性动力学行为。结果表明，，松动使转子-轴承系统刚度发生了改变，系统响应在松动方向的振幅较大。发生松动时轴心轨迹无规则，并且频谱图中具有3倍、5倍、7倍等高阶奇次倍频分量。适当增大松动支座质量能在一定程度上抑制系统位移响应的混沌运动。 进一步考虑转定子碰摩故障，建立了具有支座松动和转定子碰摩耦合故障的非线性刚度转子-轴承-机壳系统动力学模型，选用分段线性碰摩力把转子与机壳作为统一整体，分析系统在不同参数条件下的动力学响应。结果显示：当转子与定子机壳之间发生局部的轻微碰摩时，系统响应轴心轨迹存在“尖角”，频谱上除转子工频外，还存在丰富的高次谐波成分，表明系统在以松动间隙为边界的范围内做微幅振动；当转定子之间发生全周碰摩，系统响应轴心轨迹混乱且出现较多、较大的高频椭圆簇，三维幅值图上倍频连续谱幅值较大，高次谐波幅值小但阶数显著增多，表明系统在松动方向振动严重；转子-轴承-机壳系统的定子刚度的增大有抑制系统高速时的碰摩振动，但是同时也会使系统在低速运转时发生失稳运动。
【关键词】：旋转机械 油膜力 松动 动力学
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH113;TH165.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 1. 绪论10-22
• 1.1 课题的研究目和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状与发展概况11-17
• 1.2.1 转子系统研究发展概述11-13
• 1.2.2 转子-轴承系统油膜力研究概述13-14
• 1.2.3 转子-轴承系统基础支座松动故障问题研究概述14-15
• 1.2.4 转子系统碰摩问题研究概述15-17
• 1.2.5 转子系统支撑轴非线性刚度研究概述17
• 1.3 转子-轴承系统非线性油膜力模型17-20
• 1.4 本文的研究内容20-22
• 2. 刚性转子-轴承系统动力学分析22-40
• 2.1 引言22
• 2.2 Jeffcott 刚性转子-轴承系统动力学模型与运动微分方程22-24
• 2.2.1 动力学模型22-23
• 2.2.2 运动微分方程23-24
• 2.3 系统响应随参数变化的非线性动力学行为分析24-38
• 2.3.1 转子转速变化对系统非线性动力特性影响分析26-34
• 2.3.2 偏心量变化对转子-轴承系统动力学响应的影响34-38
• 2.4 小结38-40
• 3. 非线性刚度柔性转子-轴承系统非线性动力学行为分析40-57
• 3.1 引言40
• 3.2 非线性刚度轴转子系统动力学方程的建立40-42
• 3.2.1 非线性刚度转子-轴承系统力学模型40-41
• 3.2.2 非线性刚度转子-轴承系统力学微分方程41-42
• 3.3 系统动力学行为分析42-55
• 3.3.1 转子转速变化对系统非线性动力特性影响分析44-48
• 3.3.3 非线性刚度比 β对柔性转子-轴承系统动力学特性的影响48-52
• 3.3.4 偏心量对非线性刚度转子-轴承系统响应的影响52-55
• 3.4 小结55-57
• 4. 有支座松动故障的轴承-转子非线性动力学行为分析57-69
• 4.1 引言57
• 4.2 支座松动非线性刚度转子-轴承系统动力学模型57-60
• 4.2.1 转子系统的基础松动机理57-58
• 4.2.2 系统力学模型58
• 4.2.3 支座松动转子-轴承系统动力学微分方程58-60
• 4.3 系统动力学行为分析60-67
• 4.3.1 转速变化对松动转子-轴承系统动力行为的影响60-63
• 4.3.2 松动质量对柔性转子-轴承系统动力学特性的影响63-65
• 4.3.3 偏心量对松动转子-轴承系统响应的影响65-67
• 4.4 小结67-69
• 5. 具有松动和碰摩耦合故障的机壳-转子-轴承系统动力学行为分析69-90
• 5.1 引言69
• 5.2 机壳-转子-轴承系统动力学模型69-73
• 5.2.1 碰摩振动机理及非线性碰摩力的数学描述69-70
• 5.2.2 具有松动和碰摩耦合故障的机壳-转子-轴承系统动力学模型70-71
• 5.2.3 支座松动转子-轴承系统动力学微分方程71-73
• 5.3 系统动力学行为分析73-84
• 5.3.1 转速变化对松动转子系统动力行为的影响73-77
• 5.3.2 偏心量对松动机壳-转子-轴承系统响应的影响77-80
• 5.3.3 定子刚度比α对松动和碰摩耦合故障转子-轴承-机壳系统动力学特性的影响80-84
• 5.4 故障特征分析识别84-88
• 5.5 小结88-90
• 结论90-92
• 致谢92-93
• 参考文献93-98
• 攻读学位期间的研究成果98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 李振平,张金换,金志浩,闻邦椿;碰摩转子—轴承系统非线性动力学行为研究[J];航空动力学报;2004年02期

2 罗跃纲;张松鹤;闻邦椿;;双跨松动—碰摩转子—轴承系统周期运动稳定性[J];机械强度;2010年06期

3 张正松，沐华平;油膜失稳涡动极限环特性的Hopf分叉分析法[J];清华大学学报(自然科学版);1996年07期

4 褚福磊，张正松，冯冠平;碰摩转子系统的混沌特性[J];清华大学学报(自然科学版);1996年07期

5 左世春,黄润泽;600MW机组轴系振动故障诊断及处理[J];汽轮机技术;2003年03期

6 徐小峰,张文;一种非稳态油膜力模型下刚性转子的分岔和混沌特性[J];振动工程学报;2000年02期

7 张宇,陈予恕,毕勤胜;转子-轴承-基础非线性动力学研究[J];振动工程学报;1998年01期

本文编号：660293