转子系统耦合故障研究进展与展望

对近年来转子系统耦合(多)故障的研究现状、进展进行了综述,包括裂纹-碰摩、松动-碰摩、不对中-碰摩、油膜失稳-碰摩等耦合故障形式,结合国内外有关耦合故障的研究成果,从动力学模型、非线性动力学特性、故障诊断和试验研究等方面来介绍该领域的研究现状,并阐述了对该领域相关发展方向的一些看法,最后对转子系统耦合故障今后的研究方向进行了展望。     

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。      

转子有碰摩和支承松动故障时的混沌特性研究

以具有支承松动的Jeffcott转子为研究对象，并考虑到转子系统转子和定子间的碰摩现象，分析了支承松动和碰摩对转子系统刚度的影响，建立了转子系统振动的微分方程，并用数值方法分析系统的分叉与混沌等非线性动力学特性，数值分析表明，转子在碰摩和支承松动这两种非线性因素的作用下，具有复杂的拟周期运动和混沌运动。     

谐波小波变换在转子-轴承系统多故障监测中的应用

以谐波小波变换为工具,分析了转子—轴承系统出现裂纹与碰摩耦合故障时的振动特征,并分别讨论了油膜力、裂纹与碰摩的影响,为工程实际中转子系统的多非线性故障监测和诊断提供一种方案。结果表明,支承滑动轴承的非线性油膜力对转子系统的影响比较大,且裂纹与碰摩引起的耦合故障不是单裂纹和单碰摩故障的线性叠加。因此,转子系统多故障监测和诊断过程中,各个非线性因素应该得到充分考虑,并应从时域和频域同时进行分析,才能取得更为合理的结果。     

非线性转子的反向全周碰摩响应

本文对一个具有非线性刚度的单盘转子的反向全周碰摩进行研究。通过数值计算和已有实验结果的比较说明在反向全周碰摩研究中考虑转轴的非线性刚度是有必要的;采用平均法求得了系统反向全周碰摩的解析解,判断了解的稳定性,研究表明非线性转子系统既存在摩擦力方向改变引起的反向全周碰摩,同时转轴的非线性刚度和干摩擦共同作用也可以导致转子的反向全周碰摩,且这种反向全周碰摩运动是稳定的周期运动;讨论了系统参数对反向全周碰摩振幅、频率及其存在性的影响。本文的研究结论为转子系统的设计提供了一定的理论支持。     

双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩故障的非线性响应研究

分析了带有裂纹-碰摩故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的复杂非线性运动。在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨裂纹-碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型,并对系统裂纹、碰摩及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究。单一裂纹故障时系统响应在超临界转速区有短暂的混沌运动;单一碰摩故障时系统响应在亚临界转速区有拟周期运动出现;裂纹-碰摩耦合故障时在超临界转速区有较大范围的周期4运动区间,小裂纹对系统非线性特性的影响不明显。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了一定的理论依据和参考。     

转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的非线性特性研究

研究了带有裂纹和碰摩耦合故障的弹性转子系统的复杂运动。在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了含有裂纹-碰摩耦合故障转子系统的动力学模型。针对短轴承油膜力和裂纹-碰摩转子系统的强非线性特点,本文用Runge-Kutta法对转子-轴承系统由裂纹和碰摩耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究,发现该类系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象,研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

含不平衡-碰摩-基础松动耦合故障的转子-滚动轴承系统非线性动力响应分析

建立了滚动轴承支承下的转子系统的不平衡-碰摩-基础松动耦合故障动力学模型.充分考虑了滚动轴承的间隙、非线性赫兹接触力以及由变柔性VC(Varying compliance)振动,综合考虑了转子不平衡、转静碰摩以及基础松动故障的耦合振动.运用数值积分方法分析了转子旋转速度、滚动轴承间隙、碰摩刚度、转子偏心量及轴承座质量对系统动力响应的影响,并运用分叉图、相平面图、频谱图以及Poincar橛成溲芯苛讼低撤植嬗牖煦缣卣?发现了含不平衡、碰摩及基础松动耦合故障的转子-滚动轴承系统的非线性动力响应规律.     

碰摩和油膜耦合故障转子系统周期运动分岔分析

根据碰摩和油膜耦合故障转子系统的非线性动力学方程,利用求解非线性非自治动力系统周期解的延拓打靶算法,研究了该类转子系统在不平衡量-转速、碰摩间隙-转速参数域内周期运动的分岔及失稳规律,并与只含油膜故障的转子系统的分岔失稳规律进行了比较.结果发现:碰摩的出现和加剧,使得在较小偏心量下系统的失稳方式由倍周期分岔变为拟周期分岔形式.碰摩推迟了油膜涡动的产生,使得系统的失稳转速较高.碰摩间隙较大时,系统周期运动失稳转速值基本不变.     

松动碰摩转子轴承系统周期运动稳定性研究

根据松动碰摩耦合故障转子轴承系统的非线性动力学方程，利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶方法，对系统周期运动的稳定性及其失稳规律进行了研究，得到了系统在不平衡量-转速、碰摩间隙-转速等参数域内的分岔集。分析表明：在较大和较小的不平衡量下，系统的周期运动分别以Hopf分岔形式和倍周期分岔形式失稳；耦合故障转子轴承系统表现出与碰摩转子轴承系统相似的分岔失稳规律；随着系统动静件之间的碰摩间隙减小，系统的Hopf分岔集区间变大而且失稳转速降低。该结论可以为转子系统的故障诊断、安全稳定运行及振动控制提供理论依据。     

Jeffcott转子碰摩的弯扭耦合振动特性分析

针对两端刚性支承的Jeffcott转子，采用库仑摩擦模型描述了碰摩力和力矩，建立了碰摩转子的非线性弯扭耦合振动微分方程。从扭振对碰摩特性的影响和扭振碰摩特征响应两个角度，进行了碰摩特性的数值分析。通过以转速比变化为参数的分岔图发现：弯振分岔图大致可分为四个复杂运动区，有无考虑扭振的分岔图都具有周期运动、拟周期运动和复杂的混沌运动形式，但它们进入和离开这些复杂运动区的路径和在复杂区内的运动形式却有所不同；而扭振分岔图与考虑弯扭耦合的弯振分岔图存在对应关系，它也可分为四个复杂运动区，也具有周期运动、拟周期运动和复杂的混沌运动等形式。文中揭示的振动特征为转子系统的状态识别与诊断提供了一条新思路。     

转子系统碰摩故障实验研究进展与展望

针对旋转机械出现的转定子碰摩故障,对实验研究进行全面综述。简单介绍模拟单点、局部及整周碰摩所用实验装置,分析三种碰摩形式出现的典型实验现象;局部碰摩故障在工程实际中为主要碰摩形式,据研究不同对象将其划分为简单转子系统局部碰摩、复杂转子系统局部碰摩、旋转叶片-机匣局部碰摩及实际机组局部碰摩;并对三种碰摩形式典型故障特征进行对比,分析转定子碰摩实验研究发展方向。     

具有弹性静子的碰摩转子轴承系统非线性动力特性研究

建立了非线性油膜力作用下具有弹性静子的转子-轴承系统碰摩故障模型。采用Rugge-Kutta数值积分方法对碰摩故障进行动力学求解,得到系统响应的分岔图。对比研究了有、无碰摩故障情况下系统动力特性,分析了静子质量及碰摩刚度对转子响应的影响。分析结果表明：静子质量越大、碰摩刚度越大,转静子的耦合作用越明显;碰摩刚度较小时,产生的碰摩力较小,即使发生碰摩,对系统的动力特性影响也很小。     

《基于微分的经验模式方法在转子裂纹和碰摩故障诊断中的应用》

介绍了基于微分的经验模式方法（DEMD）,在Jeffcott裂纹转子模型和碰摩转子模型基础上,对裂纹和碰摩信号进行时间响应分析。结果表明,DEMD比传统的EMD方法呈现出更好的检测效果。研究工作为裂纹和碰摩转子故障诊断提供了一种工具。     

双盘转子系统轴向－径向碰摩非线性动力学特性分析

动静碰摩是透平机械常见的故障之一,其动力学行为较为复杂,表现为在机器运行的过程中碰摩故障产生的故障征兆丰富多样。建立了双盘转子-轴承系统在轴向碰摩、径向碰摩以及两种碰摩共同冲击下的有限元法连续模型,采用计及了回转效应和剪切效应的梁单元,对转子系统在不同碰摩情况下的非线性动力学行为进行了数值模拟,研究了转子转速、转子系统上的不平衡量的分布以及碰摩刚度对系统的影响。研究结果表明：相对于径向碰摩故障的动力学特征,轴向碰摩产生的非线性特征不明显,与工程中观察的现象基本一致的;但当两种碰摩均考虑时,系统的非线性动力学特征与仅考虑径向碰摩时有显著的不同。所得计算结果可为大型高速旋转机械系统的故障诊断和碰摩故障的振动控制提供理论指导,从而保证系统的安全运行。     

裂纹拉杆转子连接界面非线性建模与多参数演变规律研究

针对含拉杆裂纹的转子非线性振动现象,基于Paris裂纹扩展规律,建立了裂纹拉杆刚度模型;以界面接触刚度表征拉杆预紧作用,建立了轮盘接触刚度模型;采用Capone短轴承模型,完成了含拉杆裂纹的转子连接界面非线性动力学建模。通过系统Poincare截面分析发现,在转速与偏心多因素影响下得到的e-n分岔集中,系统在倍周期分岔与拟周期分岔之间交替变化;在裂纹扩展与转速的η-n分岔集中,解的分岔点分布不连续;不同转速下,位移随裂纹扩展的分岔轨迹比较复杂,拉杆裂纹的存在会加速或减缓分岔点的出现。结果表明:拉杆裂纹对转子稳定性作用机理受系统参数集的影响。研究结论对拉杆转子的参数设计与故障识别有一定意义。     

Nonlinear dynamic analysis of a flexible rotor supported by micropolar fluid film journal bearings

The bifurcation and chaos of dynamic response of a rotor–bearing system with nonlinear suspension are investigated on the basis of assumptions of the micropolar lubricant together with short bearing approximation. The dynamics of the rotor center and bearing center are studied. The spatial displacements in the horizontal and vertical directions are considered for various non-dimensional speed ratios. The dynamic equations are solved using the Runge–Kutta method. The analysis methods employed in this study is inclusive of the dynamic trajectories of the rotor center and bearing center, Poincaré maps and bifurcation diagrams. The maximum Lyapunov exponent analysis is also used to identify the onset of chaotic motion. The numerical results show that the stability of the system varies with the non-dimensional speed ratios. Specifically, it is found that the dynamic behaviors of the system include periodic, quasi-periodic and chaotic motions. Thus it is concluded that the bearing and rotor center trajectory had undesirable vibrations. Understanding the dynamic behaviors of these parameters provides theoretical and practical ideas for controlling rotor–bearing systems and optimizing their operation.     

非对称转子-轴承系统碰摩的动力学特性分析

建立了受非线性油膜力作用的非对称转子-轴承碰摩模型，考虑刚度的各向异性，运用数值方法研究了轴两个主方向上的刚度比rk发生变化时，系统的分叉特性，发现系统发生碰摩时倍周期运动-混沌运动-倍周期运动的运动路径和反向涡动现象。针对数值结果使用分叉图、Poincare映射图和轴心轨迹图等方法研究其非线性特性，分析了碰摩对受非线性油膜力作用的非对称转子一轴承系统的影响。     

迷宫密封-转子系统非线性动力学模型及求解

摘 要：迷宫密封广泛应用于各种旋转机械,研究密封内流体与转子的相互作用,对系统稳定性分析有重要意义。本文利用双控制体模型给出迷宫密封内不可压缩流场的控制方程,并用Jeffcot模型对转子-密封系统建模,求解此非线性动力模型得到系统转子位移与密封腔内压强的数值解。以不平衡转子-密封系统为例,计算分析系统非线性动力特性,并用Hopf分岔图与Poincare截面图进行直观表示。结果表明减小转子质量偏心对提高系统稳定性有较大影响。