碰摩轉子系統動力學特性及其故障分析研究.pdf

1、轉子與靜子間的碰摩是汽輪發(fā)電機組等大型高速旋轉機械轉子系統的常見故障之一。為了滿足現代機械對高轉速、高效率的要求，轉子和靜子之間的間隙越來越小，小間隙增加了碰摩發(fā)生的機率。碰摩是一類非常復雜的動力學行為，碰摩過程具有非光滑和強非線性特點，可能導致密封磨損、葉片彎曲或斷裂、轉軸熱彎曲、轉子系統失穩(wěn)等現象，嚴重的將引發(fā)運行事故。合理地建立碰摩轉子系統的動力學模型，在此基礎上進行動力學分析，深入研究碰摩轉子系統的振動特性以及分岔、混沌等現象，

2、能夠揭示轉子系統的運動規(guī)律，改善系統的動力學特性。碰摩轉子系統的振動信號為非平穩(wěn)、非線性、時變信號，合理地分析碰摩轉子系統的振動信號，有效地提取碰摩故障特征，準確地判斷轉子系統的碰摩位置，是碰摩故障診斷的關鍵內容，對保障機組安全、穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。
　　本文分析了碰摩模型，在此基礎上建立了碰摩轉子系統的動力學方程，采用數值模擬方法分析了碰摩轉子系統的動力學特性，研究了碰摩故障特征提取技術和轉子系統徑向碰摩的軸向位置識別方

3、法。主要研究工作和成果如下:
　　(1)研究了轉子與靜子間的徑向碰摩，對徑向碰摩轉子系統的物理模型、碰摩力模型和系統動力學模型進行了分類。將物理模型根據支承是否為剛性分為剛性支承模型和彈性支承模型;將基于動態(tài)接觸理論的法向碰摩力模型分為線性彈簧模型、基于Hertz理論的非線性模型和非線性彈簧阻尼模型;將切向摩擦力模型分為線性庫侖力模型、非線性庫侖力模型、非線性Hertz模型、鬃毛模型和LuGre模型;將碰摩轉子系統動力學模型分為約

4、束微分系統模型和分段光滑系統模型。分析了各種模型的原理、表達形式和適用范圍，為碰摩轉子系統動力學分析提供理論依據。
　　(2)分析了軸頸在滑動軸承中的受力情況，采用Capone非線性油膜力模型，建立了考慮非線性油膜力和非線性摩擦力時的碰摩轉子系統的動力學方程，并對其進行了數值分析。數值分析結果表明:當轉速較低時，切向摩擦力中的速度影響系數對系統的影響較小，但隨著速度影響系數的增大，系統的振動幅值將增大。當轉速達到臨界轉速時，速度影

5、響系數對系統的影響較大。當轉速值遠大于臨界轉速時，速度影響系數對系統的影響最為明顯，此時，很小的速度影響系數也會導致系統的不穩(wěn)定運動現象。
　　(3)分析了轉軸和支承系統在兩個主方向的剛度分別或同時非對稱時碰摩轉子系統的特點，建立了考慮非線性油膜力和非對稱剛度時的碰摩轉子系統的動力學方程，并對其進行了數值分析。數值分析結果表明:轉軸和支承系統主方向上剛度非對稱將影響系統的穩(wěn)定性，轉軸和支承系統在兩個主方向上的剛度比的大小將影響碰摩

6、的嚴重程度，因此，在對轉子系統進行結構設計時，應該盡量減小轉軸和支承系統在兩個主方向上的剛度差異。
　　(4)分析了雙跨碰摩轉子-軸承系統，建立了考慮非線性油膜力、雙跨轉子質量偏心和雙跨轉子間聯軸器剛度時的碰摩轉子-軸承系統的動力學方程，并對其進行了數值分析。數值分析結果表明:質量偏心與碰摩的耦合作用將使系統產生較大的混沌運動區(qū)域，混沌區(qū)域的大小與碰摩的嚴重程度和質量偏心量的大小有關。當雙跨轉子質量偏心方向相同時，聯軸器的剛度的大

7、小和系統的振動位移量成反比例關系。當雙跨轉子質量偏心方向相反時，系統響應的混沌區(qū)域最大。當系統發(fā)生碰摩時，較小的聯軸器剛度都將導致系統進入混沌運動狀態(tài)。構建了雙跨碰摩轉子-軸承系統實驗臺，通過實驗驗證了雙跨質量偏心角度差對系統動力學特性的影響。實驗結果與數值分析結果基本相符合。因此，在設計和安裝雙跨轉子系統時，應盡量減小轉子的質量偏心量，選取具有合適剛度的聯軸器。
　　(5)研究了碰摩轉子系統故障特征提取技術，指出LMD(Loca

8、l MeanDecomposition)時頻分析方法由于具有自適應性和能夠解調調制信號的特點，適合分析非線性、非平穩(wěn)和時變振動信號。研究了局部均值和局部幅值的平滑方法，提出了基于差分的端點延拓新方法。將端點延拓后的多頻仿真信號、碰摩仿真信號和實驗臺實測信號進行LMD分解，成功地提取出了碰摩故障特征。
　　(6)研究了轉子系統碰摩位置識別技術，提出了基于LMD能量特征和支持向量機的多跨轉子系統徑向碰摩的軸向位置識別新方法，并用實驗臺