一类初弯曲转子的裂纹-碰摩故障响应分析

摘要: 为了研究裂纹-碰摩耦合故障的一类初弯曲转子系统响应特性,在考虑转轴变形、非线性油膜力与碰摩力作用的基础上,结合由中性轴理论确定的裂纹开闭规律,建立该类故障转子的动力学方程,利用Poincaré截面和分岔图的变化分析初始弯曲程度与裂纹深度对系统振动响应特性的影响.结果表明：含初弯曲时系统振动响应在临界转速附近的混沌区域比无初弯曲时大,随着裂纹深度的增加,混沌区域逐渐缩小;初始弯曲的运动特性在浅裂纹情况下起主导作用,当裂纹深度较大时,系统振动响应随着初始弯曲程度的增大交替出现由周期演变为混沌状态的过程,混沌响应特性也可发生较大变化.     

含横向裂纹转子的动力学特性分析

基于断裂理论确定含裂纹结构的柔度,采用裂纹开闭模型,推导了固定坐标系中含裂纹轴的运动微分方程,分析研究了含横向裂纹Jeffcott转子在裂纹深度发生变化时的动力学行为,并进行了数值计算.分析结果表明:当裂纹深度很小时振动响应中就出现了2倍及3倍等倍频分量,并产生分频共振现象;裂纹转子在临界转速以上运行时,其转轴频响应和涡动幅值对裂纹深度变化不甚敏感,但高频分量还会出现.     

转速对偏心裂纹转子时变刚度的影响

以刚性支撑含横向裂纹的水平Jeffcott转子为研究对象,基于应变能释放率理论和断裂力学线弹性范围内裂纹尖端塑性区K因子修正理论,采用应力强度因子为零法模拟裂纹的呼吸效应,研究不同转速时横向偏心裂纹转子在稳定旋转一周内裂纹开闭规律和刚度时变特性.结果表明:转速较高时,裂纹前缘塑性区的存在使裂纹轴纵向刚度在裂纹全开时有小幅度的下降,水平向刚度和耦合向刚度无明显差异;裂纹转轴时变刚度整体波动范围随转速变化,使转子产生复杂的动力学特性.     

双圆盘含裂纹转子系统振动特性探究

初始缺陷、工作环境会导致转轴出现不同程度的裂纹。为分析裂纹对转子系统的影响,通过Jeffcott转子动力学模型和断裂力学理论建立了裂纹转子系统的有限元模型。对不同裂纹深度、裂纹角度和不同转速进行了仿真分析,并采用机械综合故障台对部分裂纹转子进行了实验研究。结果表明,裂纹的出现使系统振动响应中出现2X等高阶倍频分量,轴心轨迹出现凹陷甚至套圈现象,振动幅值也随之变大;随着裂纹的加深,系统的不稳定性逐渐增强;裂纹倾斜角度的改变也影响系统的振动特性,45°裂纹对系统的影响最大,当转速开始加快时,系统受裂纹的影响慢慢减小,时域波形趋于平稳,轴心轨迹逐渐变回椭圆形。对实验结果与仿真数据进行对比,验证了仿真及建模的结论。     

双盘裂纹转子的非线性动态响应与混沌

研究了含有居中盘和悬臂盘的转子轴上出现裂纹时盘的非线性动态响应。在推导出系统的动力学方程的基础上进行了数值求解。由结果可以看出，盘的摆振在无裂纹的一般为与转速相同的同频振动，一旦裂纹出现，摆振一般为转速的倍频运动。裂纹的深度，转子转速，外阻尼和转子不平衡量对盘的非线性响应有很大影响。增大阻尼和不平衡量会抑制混沌运动。系统运动进入混沌的道路主要有3条：拟周期进入混沌，拟周期经拟周期分叉进入混沌，阵发性进入混沌，阵发性混沌过程中随时间变化存在倍周期分叉现象。     

带有居中盘与悬臂盘的裂纹转子系统非线性响应特性分析

研究了轴上含有横向裂纹，刚性支承的带有居中盘和悬臂盘的双盘裂纹转子的非线性动态响应。考虑轴旋转过程中裂纹的开闭，推导出双盘裂纹转子的运动方程。采用仿真计算的方法，分析了转速、裂纹深度的变化对响应的影响，并且研究了盘的摆振与横向振动的区别。结果表明，裂纹转子随转速变化，响应会出现丰富的非线性特征；裂纹深度的增大，会导致系统响应出现分叉与混沌；外阻尼可以有效抑制非线性响应；盘的摆振对于裂纹的出现，较之横向振动，包含有明显的高次谐波分量，易于识别。     

横向裂纹转子几种裂纹开闭模型的比较

选取 3种裂纹开闭模型 :方波模型 ,余弦波模型和综合模型 ,建立Jeffcott裂纹转子的振动微分方程 .基于龙格 -库塔法 ,运用C语言编制求解Jeffcott裂纹转子响应程序 ,利用MATLAB软件进行数据处理 .处理结果表明 :在亚临界转速区 ,3种模型的转子轴心的轨迹不同 ;对于方波模型和综合模型 ,参数影响 1x谐波分量 ,对 2x ,3x等倍频分量影响很小 ,但对于余弦波模型来说没有任何影响 ;在临界转速附近 ,3种模型都出现了反映裂纹开闭的θ角随时间摆动的现象 ,但呈现出的特点各不相同 .这些结论将有助于转子裂纹故障的监测和诊断 .     

裂纹转子参数扭振特性研究

本提出横向裂纹转子的可变抗扭刚度概念，建立参数扭振的单自由度动力学模型，从而指出裂纹转子在一定条件下存在扭失稳现象。在实验室条件下，作对真实裂纹转子在不同联接条件下进行了试验，结果表明，裂纹转子存在参数扭振动现象。     

含裂纹齿轮传动系统动力学特性研究

为研究齿根裂纹扩展导致的啮合刚度变化对齿轮箱振动的影响,基于含裂纹齿轮系统动力学模型分析了齿轮传动系统的动力学特性。首先建立了渐开线直齿轮两级传动系统的集中参数模型;然后根据该模型,利用数值方法模拟了齿根裂纹的扩展过程,进而采用能量法求解不同裂纹尺寸的齿轮时变啮合刚度;最后将刚度激励作为齿轮系统的激励,代入传动系统集中参数模型,得到传动系统的动力学响应。结果表明:在含裂纹轮齿啮合过程中,齿轮速度级振动时域信号产生周期性冲击变化,而加速度级振动时域信号产生更剧烈的振动冲击;系统负载和转速主要影响动力学响应的幅值、周期和相位;不同故障形式导致齿轮的动力学响应的频率发生变化,主要体现在峰值、频带分布上。该研究结果有助于了解齿轮萌生疲劳裂纹并扩展时齿轮传动系统的动力学特性,为齿轮系统健康状况检测提供理论依据。     

立式重载储能飞轮转子动力学特性分析

飞轮转子-轴承系统的动力学建模及动特性分析是立式重载储能飞轮系统的关键问题。针对重载储能飞轮转子具有重量大、转速高等特点，考虑了电机转子的质量和刚度，建立了飞轮转子-电机转子-轴承系统的集中质量动力学数学模型，计算得到飞轮转子-电机转子-轴承系统的固有频率、临界转速等动力学特性。通过对飞轮转子进行升速瞬态响应分析发现飞轮转子在升降速过程中存在两阶临界转速，容易发生共振，损害轴承。因此为了避免共振或者降低共振峰值，研究了轴承支撑刚度、阻尼以及升速速率对飞轮转子临界转速和共振峰值的影响，计算结果表明，飞轮转子的前两阶临界转速受支撑刚度的影响，随着支撑刚度的增大，飞轮转子的临界转速增大，当支撑刚度增加至一定程度，转子临界转速不再改变。转子临界转速受阻尼影响较小，随阻尼变化而小幅度改变。此外，研究了升速速率对转子振动特性的影响，发现通过提升转子升速速率亦可以有效降低转子振动幅值。为了验证飞轮转子轴承系统动力学模型的合理性，对飞轮转子系统进行升速试验，发现仿真计算结果与试验结果一致，证明了该模型的合理性。     

大型机组电机转子振动特性的有限元分析

电机转子是石化机组设备中的关键设备。针对某大型机组中电机转子振动偏大问题,利用有限元法对该转子的动力学建模,并考虑了轴承支承刚度和阻尼随转数变化的非线性,计算了转子系统的临界转速和稳态不平衡响应等问题,研究不平衡量分布对转子振动特性的影响,找出了影响转子动力学特性的主要因素,为转子系统的故障诊断和排除提供了理论依据。     

质量慢变转子系统的碰摩分析

根据离心机转子质量慢变以及偏心量大的特点，对其在线性碰撞力和线性摩擦力作用下的碰摩动力学特性进行了理论研究，建立了相应的质量慢变碰摩运动微分方程，并应用数值方法分析了转子转速及不平衡量的变化对碰摩转子系统的振动特性的影响，分别从不同侧面描述和揭示了质量慢变转子系统的周期运动、拟周期运动，以及这些运动形式的转化与演变过程．结果表明质量慢变转子系统相当于一个具有时变阻尼和时变刚度的转子系统，该系统的显著特点是在碰摩过程中转子呈现为拟周期运动，并非像相应的恒定质量转子系统那样出现混沌运动．     

基于ANSYS的大电机转子振动特性分析

作为大电机系统中的关键部件,转子的振动特性直接关系到电机工作性能的优劣。为获得转子的振动特性,从转子动力学基本理论出发,应用有限元分析软件ANSYS研究了转子系统的固有频率和振型,对转子结构进行了模态分析,计算出了转子前20阶模态的固有频率,并得到了转子的临界转速,找出了影响转子动力学特性的主要因素,为设计转子的理想工作转速和提高转子的振动特性提供依据。     

考虑耦合刚度时含裂纹转子的非线性响应

以开闭裂纹模型为基础，考虑了轴主刚度与耦合刚度的影响，建立了含裂纹转子的非线性运动微分方程。采用Newmark-p法对方程进行数值计算，分析了转速比、裂纹大小和不平衡量等因素对裂纹转子系统响应的影响。针对裂纹转子非线性响应的特点，从有利于故障诊断的角度出发，提出了周期采样峰-峰值(PSP)图，为提取响应的周期、拟周期和混沌运动的特征量提供了一种新方法。结果表明，随着参数变化，响应中存在拟周期、混沌运动和分岔现象；当不平衡量较大时，系统在8／3倍临界转速附近存在大量的拟周期运动。     

叶片振动对转子-轴承系统动力学行为的影响

依据转子动力学理论，应用Lagrange方程建立了叶片与转子一轴承系统耦合振动的非线性动力学模型．为了分析叶片的惯性影响和系统的时变性，将叶片模化为单摆模型．利用一个线性变换将叶片振动方程中与转子耦合的一节径振动方程与其他叶片振动方程解耦，再利用周期变换将叶片和转子的耦合振动方程转化为常系数方程．采用Runge-Kutta数值方法求解系统的动力学方程，用分岔图、最大Lyapunov指数曲线、Poincar6映射图和频谱图等分析系统的稳定性．数值结果表明：叶片阻尼系数的变化对系统动力学行为有显著影响，在低转速时叶片振动可减小系统发生混沌的转速范围，在高转速时，叶片振动延迟概周期运动的出现．     

弹性转子-轴承系统的分叉研究

为了解决由于非线性油膜力的使用使转子在某些参数域中产生强烈振动的问题,以转子动力学和非线性动力学理论为基础,针对非线性弹性转子－轴承系统的具体特点,用数值积分和庞加莱映射方法对采用短轴承模型的弹性转子－轴承系统特性随某一参数变化时稳定性的改变进行了分析,计算结果表明,系统具有发生倍周期分叉及概周期运动的可能性。用数值方法得到系统在某些参数域中的分叉图、响应曲线、频谱图、相图及庞加莱映射图,直观显示了系统在某些参数域中的运行状态,数据分析结果为该类转子－轴承系统的设计和运行状态控制提供了理论参考。     

基于LabVIEW的滑动轴承转子系统实验设计

滑动轴承转子系统非线性动力学分析一直是转子动力学研究的热点,本文基于虚拟仪器技术搭建了滑动轴承转子系统实验台,以实现对系统动力学特性参数的测量.采用M公司通用数据采集模块实现滑动轴承转子系统振动信号的测量,利用LabVIEW对测量数据进行分析处理,最终得到滑动轴承转子系统的转速、轴心轨迹、频谱图等动力学特性参数.测量结...     

一种新型主动轴承基本特性研究

本文对一种新型主动轴承的基本静，动态特性进行了研究，这种油膜轴承是通过轴承变形而产生作用于转子系统的作用力，达到大型旋转机械转子系统振动主动控制的目的，仿真计算结果表明，该轴承的特性随腔压力的不同而产生明显的改变，且在在线调整轴劲位置的能力。     

转子—轴承系统裂纹监测及展望

本文简述了七十年代末以来,世界各国力学界对具有裂纹的转子——轴承系统动态特性研究所取得的大量成果,分析了振动监测用于旋转机械故障诊断的可行性,指出存在问题及今后继续研究的方向。     

横向裂纹多盘柔性转子系统的动力学特性

采用Rayleigh方法计算横向裂纹轴单元的刚度模型,基于有限元法建立具有横向裂纹的多盘柔性转子-轴承系统的数学模型.分析裂纹对多盘柔性转子-轴承系统的动力特性的影响,研究由于裂纹的存在而产生的超谐波共振和亚谐波共振,讨论了这些共振的特点,特别是系统的2倍频和3倍频谐波分量的特性,分析了靠近1/2和1/3倍第一临界转速时的轨迹变化以及裂纹的位置和深度对非线性特性的影响.结果表明,与两端刚性支承的简单Jeff-cott转子相比,利用在次临界转速处2倍频和3倍频超谐波成分作为检测多盘转子系统中的裂纹指标是可行的.