故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)若干問題的數(shù)值分析及其特征研究.pdf

1、大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械是國家基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)工業(yè)中最關(guān)鍵和最核心的設(shè)備之一。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高速、重載、輕型化和自動化正成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展方向，這對其在速度、容量、效率和安全可靠性等方面提出了越來越高的要求，運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的故障也引起人們越來越多的關(guān)注。由于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動力學(xué)問題大都具有非線性的特征，因而用非線性理論研究大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的動力學(xué)問題就成為非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)中的重大課題，這對于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行，對于社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都

2、具有重大意義。 本文應(yīng)用現(xiàn)代非線性動力學(xué)理論，以旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為主要研究對象，概述了轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究歷史與現(xiàn)狀，并針對故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中經(jīng)常涉及的幾個問題作了詳細(xì)的介紹。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法，采用非線性非穩(wěn)態(tài)油膜力模型，對支座松動故障、裂紋故障以及松動-碰摩耦合故障引起的分岔與混沌等非線性動力學(xué)現(xiàn)象以及相關(guān)的故障特征作了深入的研究。主要的工作有以下幾個方面： 1.針對轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)中一端支座與基礎(chǔ)之間出現(xiàn)松

3、動的情況建立了一個簡單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值模擬方法研究了轉(zhuǎn)盤和支座的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速比變化的分叉和混沌情況，分析了系統(tǒng)的周期、擬周期、混沌運(yùn)動及一些相關(guān)的現(xiàn)象。結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)松動故障時，即便是在較高轉(zhuǎn)速區(qū)也會出現(xiàn)周期3分頻運(yùn)動，而且支座發(fā)生松動振動時很容易引起系統(tǒng)的1/3及其倍數(shù)次的振動頻譜分量。 2.針對轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)中兩端支座與基礎(chǔ)之間同時出現(xiàn)松動的情況建立了簡單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速比較大時，兩個松

4、動支座的振動會相互抑制；當(dāng)轉(zhuǎn)速比很大時，這種抑制消失。 3.通過對發(fā)生支座松動故障轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的數(shù)值模擬，得到了以下支座松動故障的特征： a波形圖的特征：當(dāng)支座的振動位移沒有達(dá)到最大間隙值時，只有波形的下部出現(xiàn)削波現(xiàn)象；當(dāng)支座的振動位移達(dá)到了最大間隙值時，那么它的波形的上部和下部都會出現(xiàn)削波現(xiàn)象。 b頻譜圖的特征：當(dāng)松動支座的振動位移沒有達(dá)到最大松動間隙值時，在它的頻譜圖中除了1倍頻分量外頻譜成分多以低頻為主，

5、同時可能伴隨幅值較小的高頻成分。受其影響，與其相對應(yīng)的軸頸以及轉(zhuǎn)盤的譜圖中也會出現(xiàn)或多或少的低頻成分，其中y方向的低頻成分比x方向的要豐富一些，幅值也要大一些。但是當(dāng)松動支座的振動位移達(dá)到最大松動間隙值時，在它的譜圖中會出現(xiàn)非常突出的較高的頻率分量，而1倍頻卻消失了。 c軸頸的軸心軌跡以及支座的Poincare截面圖和相軌跡的特征：當(dāng)支座的振幅小于最大間隙值時，軸頸的運(yùn)動軌跡為“柱狀”，支座的Poincare映射點(diǎn)具有分形特點(diǎn)；

6、當(dāng)支座的振幅大于最大間隙值時，軸頸的運(yùn)動軌跡表現(xiàn)為沿y軸的劇烈振動，支座的Poincare映射點(diǎn)形成旋轉(zhuǎn)90°的大寫U形，這時其相軌跡輪廓的左右兩邊弧度都很大。 4.針對轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)中支座松動和碰摩耦合故障建立了簡單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值積分等方法對其進(jìn)行數(shù)值模擬。考察了在轉(zhuǎn)速比發(fā)生變化的條件下，當(dāng)改變最大松動間隙值時發(fā)生松動和碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分岔與混沌特性，并將其分別與在相同參數(shù)條件下帶有支座松動故障或碰摩故障的

7、轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進(jìn)行了比較，得到如下結(jié)論：該系統(tǒng)的碰摩故障與松動故障很容易發(fā)生在以下三個轉(zhuǎn)速區(qū)：主共振區(qū)、油膜振蕩區(qū)以及轉(zhuǎn)速比大于3.4的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。其中發(fā)生碰摩故障時系統(tǒng)的運(yùn)動多為混沌運(yùn)動。隨著松動最大間隙值的減小，碰摩的轉(zhuǎn)速范圍越來越大，而支座發(fā)生較大幅值振動的轉(zhuǎn)速范圍越來越小。在該耦合故障系統(tǒng)中，盡管一種故障發(fā)生的轉(zhuǎn)速范圍和振動形式會因另一種故障的存在而有所不同，但該耦合故障系統(tǒng)中兩種故障的產(chǎn)生相對獨(dú)立。另外，在很多轉(zhuǎn)速比處出現(xiàn)了解

8、的跳躍現(xiàn)象，這說明該系統(tǒng)可能在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在多吸引子共存的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生碰摩故障時，一般來說，振動波形會產(chǎn)生削波的現(xiàn)象，但有時也表現(xiàn)不太明顯。在轉(zhuǎn)速較低時，轉(zhuǎn)盤的頻譜特征是以1倍頻為主，伴有幅值較小的2倍頻分量。當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時，頻譜圖中除了有1倍頻分量外，還有更為明顯的低頻分量，同時在1倍頻和4倍頻之間伴有幅值較小并且漸弱的高頻分量。 5.本文以剛性支撐的水平Jeffcott裂紋轉(zhuǎn)子為研究對象，在考慮裂紋開閉、軸的位移和軸的剛

9、度三者之間相互耦合的情況下，建立了考慮盤擺振運(yùn)動的裂紋轉(zhuǎn)子的運(yùn)動微分方程，采用數(shù)值模擬方法，分析了該轉(zhuǎn)子的彎曲振動以及擺振的運(yùn)動特性，討論了裂紋深度、裂紋角等參數(shù)對運(yùn)動特性的影響，結(jié)果表明：對于裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，擺振頻譜圖中除了具有與彎曲振動相同的頻率成分外，還具有更高的頻率成分。當(dāng)轉(zhuǎn)速比增大到一定程度時，彎曲振動響應(yīng)中只有1倍頻分量，但在擺振響應(yīng)中，即便轉(zhuǎn)速比很大，它的頻譜圖也不是單一的1倍頻，而是具有多種頻率成分。裂紋深度的增加對彎曲振