非线性油膜力作用下的碰摩转子系统动力学分析

目的:在讨论转子系统碰摩问题时,必须要考虑非线性碰摩力的影响,通过建立合理的模型来进行碰摩转子系统动力学分析十分重要。方法:运用基于Hertz接触理论的非线性碰摩力模型建模并进行数值仿真计算,对不同碰摩刚度下的故障转子系统动力学响应进行了研究。结果:通过分析发现,在碰摩刚度较大时,与线性刚度碰摩模型相比,采用Hertz接触理论碰摩力模型仿真出的结果非线性特性更强,系统碰摩特征更加明显,有利于判断碰摩故障的发生;结论:结合相关实验结果,验证了Hertz碰摩模型的正确性及将其运用在碰摩故障转子系统建模中的可行性。     

转子叶片与机匣碰摩研究进展与展望

针对转子叶片与机匣碰摩故障,国内外学者对碰摩力模型、碰摩故障机理、数值仿真分析、试验检验验证和碰摩故障识别诊断等进行了大量研究。在对转子叶片与机匣碰摩动力学特性的研究现状进行梳理分析的基础上,根据碰摩力模型性质的不同,将现有碰摩力模型分为两大类、5种模型,综述了各模型的特点,指出了各模型的适用范围及其优缺点,分析总结了转子叶片与机匣碰摩试验的进展,并指出了未来在模型建立与试验探究方面有待进一步研究的发展方向。     

旋转机械局部故障力的模型诊断及瞬时故障力识别

针对旋转机械中出现的大量局部故障现象,采用基于模型的故障诊断方法提取剩余振动量,利用模态扩展推测转子系统各节点瞬态振动,针对模型诊断中等效力出现的发散情况,提出通过最小二乘法利用挠曲线确定单一周期和准周期故障发生位置.提出利用瞬时能量判别瞬时故障力大小的方法,从而诊断出系统中故障严重程度.实现了仅利用少量传感器即可对转子系统进行精确故障位置和故障力大小的诊断.对转子系统的碰摩故障进行数值仿真,并在转子试验台进行试验验证本方法的正确性.     

碰摩故障转子-滚动轴承耦合系统非线性动力学研究

针对滚动轴承支承下的转子碰摩故障机理分析和故障诊断问题,考虑滚动轴承非线性赫兹接触和轴承径向间隙,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承系统动力学模型。应用数值积分方法得到系统的非线性响应,利用时间波形图、分叉图、频谱图以及Poincaré映射图,研究了系统响应随转速、轴承间隙、碰摩刚度、偏心量以及碰摩间隙的变化规律,为有效诊断滚动轴承支承下的转子碰摩故障提供了理论依据。     

双转子-支承-机匣耦合系统碰摩振动响应分析及试验验证

以某型航空发动机双转子试验器为研究对象,采用Newmark-β数值积分方法求解系统的动力学响应,在考虑高低压转子中介轴承的耦合和机匣的弹性变形及其运动的基础上,建立了碰摩故障双转子-支承-机匣耦合系统动力学模型,理论分析了转速、转子偏心量和碰摩刚度对转子系统动力学特性的影响并进行了相关试验。研究结果表明：发生碰摩故障时,转子和机匣测点频谱分析图中会出现转子的倍频和组合频率,可将其作为判断系统发生局部碰摩的特征信号;随着转子偏心量和碰摩刚度的增大,碰摩幅值响应愈加明显,碰摩程度亦愈加严重;机匣测点振动量值存在衰减,后续理论建模过程中应考虑传递过程的衰减。本研究结论可为碰摩故障机理的探究和碰摩故障的诊断提供参考。     

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。      

质量慢变转子系统的碰摩故障小波分析

针对实际生产中某些转子系统工作时质量不断变化这一现象，建立了碰摩故障质量慢变转子系统模型。对局部碰摩的情况进行了理论分析和试验研究。利用小波时频等高图来诊断质量慢变转子系统碰摩故障，取得了比较好的效果。研究发现：无论是无故障转子系统还是碰摩故障转子系统，随着慢变质量的波动，系统响应的一倍频会产生波动，质量增大会引起响应的一倍频降低，质量减小会引起响应的一倍频升高。     

转子-轴承系统局部碰摩故障机理研究

对滑动轴承支承下的转子系统进行故障机理分析,建立了碰摩故障转子系统的动力学模型,应用非线性动力学理论对所建立的滑动轴承支承下的碰摩转子系统进行了研究,应用数值积分方法得到系统的响应,利用幅频曲线、分岔图和三维谱图研究了系统响应随转速、偏心量、半径间隙、摩擦因数及静子径向刚度等因素的变化规律。     

转子--机壳碰摩故障研究

使用基于Henz接触理论的非线性碰摩模型，对工程中的多盘转子系统碰摩故障现象进行了研究。研究成果有助于更好地把握多盘碰摩转子的振动特征，可以为更准确地诊断转子碰摩故障和改善转子系统的动力学特性提供理论依据。     

转子径向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度的动态分析

基于Jeffcott转子模型,用6自由度方法研究考虑涡轮非线性流固耦合力的转子径向碰摩动力学特性.通过响应分叉图、波形图、频谱图、轨迹、Poincaré图以及频率瀑布图分析在涡轮非线性流固耦合力作用下转子径向碰摩的动力学表现.与不考虑涡轮非线性流固耦合力相比,转子的径向碰摩的稳定运动区大大减小,转子的碰摩转速门槛值也相应降低,并且碰摩一开始系统振动就出现比较复杂的运动形式;轴向振动的频谱中明显出现了密集的超谐波群,扭转振动的频谱中则明显出现了密集的亚谐波群,这种具有混沌特征的频率成分代表了系统在碰摩力和涡轮非线性流固耦合力作用下的主要运动形式;在整个转速范围内,横向振动几乎具有单一的同步频率成分,轴向振动则表现出非常丰富的超谐波频率成分,这些频率成分主要分布于三个随转速的增加分别向三个固定的频率逼近且幅值逐渐升高的密集超谐波频带,扭转振动则在1/2倍频附近表现出丰富的亚谐波频率成分,其幅值也随转速的增加而逐渐升高.上述结论对涡轮转子系统的动力学设计和故障诊断具有重要意义.     

Detection of rubbing location in rotor system by super-harmonic responses

A detection strategy for the rubbing locations in a rotor system based on the super-harmonic responses is developed. Firstly, the dynamics of the rotor system with rubbing fault is investigated based on the theory of nonlinear output frequency response function. Then, the relationship between the super-harmonic components of the vibrations of fault rotor system and the receptance matrix of the fault-free rotor system is established. The detection method is then set up for rubbing location along the rotor. With this approach, the rubbing location can be determined by using super-harmonic responses measured at only two nodes under one case of operating speed. Finally, numerical simulations and experimental observations are carried out to verify the efficiency of the proposed detection method for rubbing location in a rotor system.     

梁结构碰撞位置的定量诊断方法

针对机械设备中广泛存在的各种梁结构常因振动等原因与外界发生碰撞而不能及时准确检测出碰撞位置的问题,提出了一种梁结构碰撞故障位置的定量诊断方法。基于谐波平衡理论推导出碰撞梁响应信号中高次谐波成分之间的对比关系,根据无故障系统和故障系统信号的响应之差,提取某一高阶谐波分量,结合梁结构系统的有限元模型来诊断碰撞故障的具体位置。对悬臂梁和复杂梁结构的数值仿真和实验结果显示,该诊断方法能够准确判断梁结构的碰撞故障位置。通过改变未知参数的实验表明,该方法具有较好的稳健性,不需要大量的先验数据,仅用两个测点的响应数据就可以诊断出故障的准确位置,简单又便于实现在线诊断。     

结合复小波包变换及频谱校正的机械转子碰摩故障诊断方法研究

针对机械转子系统中碰摩故障发生时故障特征微弱及识别困难的问题,提出一种结合双树复小波包变换及频谱校正的故障诊断方法。首先对于振动位移信号中工频基波成分,采用频谱加矩形窗的频谱校正方法识别其谐波信息,通过构造补偿信号进行对消,以减少其对后续特征提取的影响。其次通过双树复小波包对补偿过的信号进行多尺度分解;最后对小波包子空间信号进行希尔伯特包络解调分析,通过瞬时幅值及瞬时频率信息诊断转子的动静碰摩故障。在转子实验台上进行了实验验证,结果表明提出的方法能有效提取转子碰摩产生的微弱故障特征。     

叶尖碰摩诱发的转子系统振动响应数值分析与试验研究

针对透平机械中叶尖碰摩诱发的转子系统振动问题,基于转子-叶片-定子耦合系统模型,通过对叶尖碰摩过程的数学表征,采用谐波平衡法和Newmark-β法,分别对转定子的稳态响应和瞬态响应进行数值计算,并分析了不同参数对系统振动响应的影响。通过分析发现,叶尖碰摩下的转定子稳态响应会呈现出“硬式”非线性特征;偏移量增加会导致峰值偏移提前,非线性特征更明显;接触刚度增加使得系统的振动加剧,并且离散性增加;叶片数增加后,“削峰”现象更加明显。由于定子的约束,系统的瞬态响应峰值明显被限制了,同时,在过临界转速后,系统会出现一个不稳定运动,使得系统振动出现瞬时增加。除了仿真分析,还基于转子-叶片碰摩试验台,对叶尖单侧碰摩下的转子和定子振动位移进行了测试。从测试结果可知,转轴的振动响应也会体现叶片的振动特征,而从定子的振动响应中可以看出由于转子涡动导致的频率调制现象。     

一种新的转子碰摩故障诊断特征的研究

建立Jeffcott碰摩转子的弯扭耦合振动非线性微分方程，通过数值仿真手段，着重分析转子碰摩故障的扭振时频域特点及其非线性振动特性，并描述动静间隙对碰摩转子扭振非线性特性的影响。研究表明，转子碰摩激起丰富的扭振频谱信息，主要包括N/2X、N/3X等分频成分以及1X、2X等倍频成分，且分频幅值往往比倍频大许多。在一定转速范围内，周期运动与复杂的非线性运动交替出现。而动静间隙对转子扭振特性影响明显，动静间隙越小，转子动静碰摩越严重，频谱成分越丰富，运动形式更趋复杂，相应的各复杂运动区的范围也越宽。文中揭示的扭振特征为转子碰摩的状态识别与诊断提供了一种新方法。     

The partial and full rubbing of a flywheel rotor–bearing–stop system

The forced nonlinear vibration of a rotor rubbing with motion-limiting stops is investigated by means of numerical method. In the dynamic analysis, the large vibration of the multiple-degree-of-freedom rigid rotor is excited not only by the unbalance force but also by a harmonic excitation force as the simulation of low frequency disturbance and thus causes the rubbing between the inner wall of the hollow rotor and the stop which locates in the rotor. The simple Coulomb friction model and piecewise linear spring model are used to describe the contact between the rotating rotor and the stationary stop. The rotor to stop collision and rub happens occasionally on certain conditions. The forced vibration may become chaotic like when the collision and rubbing occurs. The stable partial rubbing motion shows that the stop is able to limit the vibration amplitude of the rotor which whirls violently at low frequency. With the increase of the amplitudes of the excitation, the partial rubbing will expand to full rubbing in which the rotor keeps contact with the stop. The full rubbing is periodic or quasi-periodic. It is supposed that the stop loses effectiveness when the full rubbing happens. The full rubbing takes place earlier as the friction factor becomes larger, and consequently the disturbance scope in which the stop works effectively becomes smaller.     

磁轴承激励下转子系统动力学特性

为分析磁轴承激励下转子系统的振动机理,应用一维有限元方法建立了双盘转子系统动力学特性计算模型,研究了不同类型磁轴承激励下转子系统的动力学行为。研究结果表明：同向旋转的扫频激励力激发了转子系统的正进动模态,而反向旋转的扫频激励力激发了转子系统的反进动模态,两种情况下转子系统均以圆轨迹进动;由于单向简谐激励力可以分解为同向旋转激励力和反向旋转激励力之和,因此在单向简谐扫频激励力作用下,转子系统的反进动和正进动模态均被激发,转子系统以椭圆轨迹进动;在双向简谐扫频激励力作用下,转子系统的进动方向和进动轨迹取决于两个激励力的相位差。研究成果为评估高压压缩机转子系统稳定性时磁轴承激励方案的选取提供了理论依据。     

转子与限位器碰摩试验中的能量耗散

限位器或限制器是一种简单的被动式转子振动控制元件 ,它在限制转子大幅度低频进动和过临界大不平衡响应中有良好的表现。为了研究限位器的设计方法 ,考察转子与其碰摩的动力行为 ,设计了转子与限位器碰摩试验台 ,进行了激振碰摩实验 ,分析了激振碰摩过程中外力的功与转子涡动能量的关系 ,提出碰摩过程中耗散能的测试计算方法