齿式联接转子系统的对中故障机理与识别

讨论了由齿式联轴节联接的高速重载转子系统具有不对中时的频谱机理及其识别方法。指出在联轴节处于正常工作状态时其特征激励频率为转速频率的两倍，而处于“锁定”状态时其特征激励频率为转速频率。最后给出了用于识别和诊断不对中故障，判断其工作状态及类型的基本规则。     

双转子不对中故障振动特性分析

建立了带有中介支承的双转子不对中故障系统动力学模型,利用解析分析、数值分析和实验验证,揭示了双转子系统存在平行、角度不对中故障时,高、低压转子的振动特性。理论分析和实验结果表明,由于高压转子采用中介轴承的支承方式,高、低压转子的振动相互耦合,低压转子的不对中振动特征会传至高压转子,在双转子系统临界转速的1/2处会发生2倍频共振。     

具有不对中故障的双跨转子系统非线性动力学特性

目前,高速直驱式转子系统成为一种重要的发展趋势,为了研究多跨转子系统在弹性联轴器联接下含有不对中故障的多圆盘轴承-双跨转子动力学模型,通过将联轴器质量矩阵和刚度矩阵作为总体质量和刚度矩阵的一部分,并考虑重力、不平衡力、油膜力和不对中力的作用,采用Newmark-β方法求解运动微分方程,获得双跨转子系统的振动响应。对比研究有无不对中故障下系统的动力特性,采用轴心轨迹图、分叉图、Poincare映射图和FFT频谱图分析了平行不对中度、角向不对中度和联轴器刚度对转子动力学响应的影响。分析结果表明,不对中度会使系统的非线性特征更加复杂,但对转子系统的失稳转速作用不明显;膜盘联轴器径向刚度增大后,转子系统出现强2×响应并产生4×和6×的偶数倍频分量,联轴器角向刚度的增加会提高转子系统的失稳转速和2×振动分量。研究结果可对转子系统结构设计和故障诊断提供理论参考。     

双盘转子轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析

针对由于轴承不对中而引起不对中-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了考虑电机联轴器影响的双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型。基于非线性有限元方法,使用等效不对中力矩及接触理论研究了碰摩刚度和不对中角度两个重要参数对系统动力学特性的影响。通过对在不同碰摩刚度及不对中角度时系统动力学特性的研究分析,发现不对中-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且二倍频出现较早及其峰值会急速增大,这一特性可以作为诊断不对中-碰摩耦合故障的一个依据。     

双盘转子系统不对中-碰摩故障仿真及实验研究

本文建立了通过齿式联轴器连接、滚动轴承支承的双盘转子动力学模型。该模型引入了齿式联轴器啮合力,不对中力和碰摩力。同时搭建转子实验台,并且进行了低转速下不对中-碰摩实验,研究转子在低速下的动力学特性和碰摩力特征。结果表明:低速实验下转子碰摩对于整体振动影响不大,在低转速下会产生一定的分数频率,并对倍频幅值产生一定影响;仿真结果显示,随着转速的增加,转子与静子产生碰摩,系统逐渐产生分数频率,并且系统的运动稳定性变差,碰摩力变得无规律。     

转角不对中故障的转子系统非线性动力学特征

在刚性转子和小角度不对中量等假设条件下,考虑转子的转角不对中和质量不平衡等因素后,建立了转子系统的动力学模型.首先,根据Lagrange方程推导了系统的运动微分方程.理论分析表明,转角不对中转子系统是一个具有参激振动特征的强非线性振动系统;然后,基于谐波平衡法分析了系统的动力学特性,结果显示,当转子转角不对中时,系统不仅会产生与不平衡类似的工频振动,而且也会产生工频与转子不对中角方向振动频率倍数之和或之差组成的组合频率振动,其振幅与角不对中量和系统的物理参数有关;最后,采用数值方法分析了具有转角不对中故障转子系统的非线性动力学特性.     

转子不对中故障的ADAMS仿真研究

针对实验室某转子试验平台,利用UG、Hypermesh和ADAMS软件建立平台的刚柔混合模型,对转子的平行不对中、角度不对中和综合不对中等故障情况进行仿真分析,得到了转子在不同故障情况下的位移振动规律,并通过实验对仿真结果进行了验证。     

一种转子动态不对中量计算方法

从运动学角度出发,分析了双跨转子系统的运动特性和运动形态,提出了一种转子动态不对中量的定量计算方法。该方法通过安装在转子系统上的电涡流传感器获得转子运动的轴心位置信息,根据相似三角形定理,计算获得两根转子在联轴器处的轴心平动位移和角位移,再根据矢量合成法则,即可获得两根转子在联轴器处的平行不对中量以及角度不对中量。工程实践表明,该方法确定的不对中故障类型与特征典型的不对中故障类型表现出的时域波形特征、频谱特征以及轴心轨迹特征一致。该方法不但能够准确地诊断不对中的种类,而且能够得到不对中的定量结果,为工程实际中不对中故障的处理及轴系对中提供了量化参考。     

联轴器不对中故障转子系统的动力学试验

建立了一个多跨转子-轴承系统试验台,并进行了具有联轴器不对中故障的转子-轴承系统动力学试验,重点分析了平行不对中和交角不对中转子的动力学特性和振动机理。试验结果表明,在不对中转子系统的稳态响应中,除了工频外还存在倍频振动分量,并且随着转速的提高倍频分量增大。在转速较低时,不对中转子的轴心运动具有同步振动特征;随着转速的增加,轴心轨迹呈现出"8"字形或多环椭圆形,且轴心轨迹在某些位置处曲率变化较大。对于具有平行不对中故障的转子-轴承系统,在转速较高时,还会出现和差型谐波振动分量。     

平行不对中转子系统的电机电流特性

为通过监测电机电流信号以实现对转子系统故障的识别与诊断,考虑圆盘不平衡因素,建立平行不对中转子系统动力学模型,然后应用拉格朗日方程,推导出转子系统运动微分方程,并以电机的电磁扭矩为纽带,在MATLAB/Simulink环境下建立三相异步电动机—转子系统机电耦合模型,最后应用傅里叶变换对电流信号进行频谱分析,研究平行不对中故障激励下电机电流信号的耦合特性。仿真结果表明:不平行故障会使电流信号激发出的边频分量,随着不平衡量的增大,还会激发出的边频分量;考虑质量偏心,电流信号还会激发出的边频分量,但当时,的边频分量会被淹没,反之,该边频分量则比较明显。     

齿轮联轴器不对中转子系统的稳态振动特征分析

对不对中齿轮联轴器连接的轴承－转子系统进行了动力学分析，讨论了齿轮联轴器不对中力的组成。理论分析表明，齿轮联轴器的不对中而产生的作用力是联轴器内齿套的惯性力和联轴器内阻尼共同作用的结果，转子系统的稳态响应振幅与齿轮联轴器的不对中量、内阻尼、转子的转速和齿轮联轴器的结构参数有关。数值模拟结果显示在弯曲振动中转子系统会产生工频的2，4，6，8，…等偶数倍频分量，而在扭转振动中会产生工频的1，3，5，7，…等奇数倍频分量，并且这些倍频分量在齿轮联轴器附近处表现得非常明显。     

套齿联轴器对航空发动机振动特性的影响

研究了航空发动机套齿联轴器的连接刚度,推导了套齿动态啮合力计算模型,分析了随扭矩、套齿不对中和动态相对位移变化的套齿啮合力和啮合刚度。依据航空发动机套齿连接结构,建立了含套齿联轴器的三支点转子动力学模型,分析了套齿连接刚度对系统频率响应特性的影响,在考虑转轴间角度不对中的情况下,分析了套齿连接刚度对系统不对中响应的影响规律。结果发现,动态啮合力模型能够更加真实地模拟套齿连接刚度的变化,但是,当其径向啮合刚度变化不大时,其计算结果与等效刚度模型的计算结果相同,套齿角向刚度对系统动力性能影响很大,在套齿设计、装配和使用中需要重视。     

Experimental investigations on vibration response of misaligned rotors

Misalignment is one of the most commonly observed faults in rotating machines. However, there have been relatively limited research efforts in the past to understand its effect on overall dynamics of the rotor system. In the existing literature, there is confusing spectral information on the rotor vibration characteristics of misalignment. The present study is aimed at understanding the dynamics of misaligned rotors and reducing the ambiguity so as to improve the reliability of the misalignment fault diagnosis. Influence of misalignment and its type on the forcing characteristics of flexible coupling is investigated followed by experimental investigation of the vibration response of misaligned coupled rotors supported on rolling element bearings. Steady-state vibration response at integer fraction of the first bending natural frequency is investigated. Effects of types of misalignments, i.e. parallel and angular misalignments, are investigated. The conventional Fourier spectrum (i.e. FFT) has limitations in revealing the directional nature of the vibrations arising out of rotor faults. In addition, it has been observed that several other rotor faults generate higher harmonics in the Fourier spectrum and hence there could be a level of uncertainty in the diagnosis when other faults are also suspect. The present work through use of full spectra has shown possibility of diagnosing misalignment through unique vibration features exhibited in the full spectra (i.e. forward/backward whirl). This provides an important tool to separate faults that generate similar frequency spectra (e.g. crack and misalignment) and lead to a more reliable misalignment diagnosis. Full spectra and orbit plots are efficiently used to reveal the unique nature of misalignment fault not clearly brought out by the previous studies, and new misalignment diagnostics recommendations are proposed.     

SFD作用下故障转子系统动力学特性及混沌控制

考虑挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,简称SFD)作用,研究碰摩故障及不对中-碰摩耦合故障下系统动力学特性及SFD对系统混沌运动控制。基于Lagrange方程,建立不对中-碰摩耦合故障下SFD-转子-滚动轴承系统动力学模型,采用龙格库塔法对模型求解,并利用分岔图、Poincaré图、频谱图等进行对比分析。研究结果表明:合理油膜间隙下的SFD能有效抑制系统非协调响应以及振动幅值,使故障转子系统的混沌运动控制在稳定周期轨道上;过小的油膜间隙会形成很强的非线性油膜支反力,产生非协调频率成分,使稳定周期系统重返混沌状态;随着油膜间隙减小,SFD对不对中故障产生的典型2 X,3 X,4 X和5 X频幅值具有不同影响,其中2 X频幅值变化明显,3 X和4 X频幅值变化微弱,5 X频幅值基本不变。     

基于虚拟样机的齿式联轴器不对中故障仿真

在研究齿式联轴器不对中故障机理的基础上,借助虚拟样机技术,建立了风机系统虚拟样机模型,并对齿式联轴器不对中故障进行多工况仿真分析,给出了齿式联轴器不对中故障规律。     

基于非线性输出频率响应函数的转子不对中-碰摩耦合故障诊断方法研究

基于非线性输出频率响应函数(NOFRF)的独特优势,将非线性输出频率响应函数引入到转子不对中-碰摩耦合故障中,提出了基于非线性输出频率响应函数的转子不对中-碰摩耦合故障诊断方法。利用提出的方法辨识得到了不同对中度及其角度的转子系统的NOFRF值,对比分析了不对中度及其角度对转子系统各阶NOFRF值的影响。仿真结果表明随着不对中度和角度的增加,NOFRF中二次谐波二阶非线性输出频率响应函数和二次谐波四阶非线性输出频率响应函数有着较为明显的增幅;一次谐波三阶非线性输出频率响应函数随不对中角度的增加而减小。因此,可以依据二次谐波二阶非线性输出频率响应函数、二次谐波四阶非线性输出频率响应函数、一次谐波三阶非线性输出频率响应函数值的变化规律识别转子系统的不对中程度。最后通过试验结果验证了仿真结果的正确性,研究成果为具有不对中-碰摩耦合故障的转子系统的故障诊断提供了重要的依据。     

齿式联接不对中转子的弯扭耦合振动特性分析

以齿式联轴器的不对中故障为研究对象,推导不对中激励力表达式,并从动力学的角度,建立不对中弯扭耦合振动微分方程。基于该微分方程,文中先从理论分析角度,定性分析弯振对扭振的影响和扭振对弯振的影响,接着从变转速过程、质量偏心、不对中量以及阻尼系数对弯扭耦合特性影响几方面进行数值仿真分析。计算表明,弯振与扭振是相互耦合的,质量偏心是耦合的前提。弯振频率包含工频和二倍频成分等,不对中越严重,二倍频所占比例越大,其轴心轨迹为双环椭圆。弯扭耦合将激发各阶谐波扭振,包括工频、二倍频和三倍频,其中工频扭振占主导地位。     

转子-滑动轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析

针对滑动轴承支撑下的转子系统发生不对中故障进而引起不对中-碰摩耦合故障的诊断问题,基于非线性有限元法,应用短轴承油膜力、等效不对中力矩及Hertz接触理论建立双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统动力学模型,并通过增广的拉格朗日方法来处理接触约束条件,以保证转盘和机匣相互接触时满足边界渗透深度在规定的容差范围内。同时,结合试验研究分析了在不同转速条件时,滑动轴承支撑下的耦合故障转子系统的相关动力学特性。研究表明碰摩故障在耦合故障中处于主导地位,不对中故障主要会激发高倍频谱处于从属地位;并且随着转速的提高,系统频率成分以高倍频为主,逐步由拟周期运动进入混沌运动状态,同时由于不对中力矩与碰摩力的作用,油膜失稳现象局部被抑制,一、二阶油膜振荡现象均滞后显现。研究结果可为滑动轴承支撑下耦合故障转子系统故障诊断提供依据。     

转子系统不对中振动机理及特征分析

转子系统不对中故障是旋转机械常见故障之一。就转子系统不对中振动的机理,从影响因素、齿式联轴器的受力特点及运动特征等几方面进行了分析,并对转子系统不对中故障特征进行了分析。