損傷轉子動力學特性及故障特征提取的研究.pdf

1、隨著科學技術的進步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，旋轉機械在電力、能源、交通、國防和化工等領域中得到了廣泛應用并發(fā)揮著越來越重要的作用，對旋轉機械動力學特性的研究也逐漸得到了人們的重視。復雜旋轉機械，時常由于各種線性或非線性因素激發(fā)起各種故障，進而會使機器發(fā)生嚴重事故，甚至是機毀人亡的重大事故。因此，研究轉子系統(tǒng)故障機理和診斷技術有著十分重要的意義，目前國內(nèi)外科技工作者在這些方面進行了大量的研究，并取得了豐碩成果。
　　 本課題以沈陽鼓風機集

2、團有限公司與東北大學聯(lián)合進行的“大型壓縮機轉子振動實驗系統(tǒng)”項目為背景，以試驗臺軸系為研究對象。首先利用聞邦椿教授提出的面向產(chǎn)品廣義質量的1+3綜合設計法對軸系進行了設計和校核，確定了系統(tǒng)的一些動力參數(shù)；然后利用非線性有限元方法研究了考慮碰摩故障、裂紋故障以及裂紋-碰摩耦合故障的多盤懸臂轉子-軸承系統(tǒng)的動力學特性，并利用小型轉子試驗臺對轉子-軸承系統(tǒng)的若干故障進行了模擬實驗，對實驗所測的帶有各種故障的振動信號進行了詳細的時頻故障特征提取

3、；最后對碰摩轉子響應時間序列的混沌特性進行了研究。本文具體研究內(nèi)容如下：
　　 (1)利用聞邦椿教授提出的面向產(chǎn)品廣義質量的1+3綜合設計法對試驗臺軸系進行了設計，首先把試驗臺軸系作為一個產(chǎn)品，進行產(chǎn)品功能優(yōu)化設計，形成初步的軸系設計圖紙，接著對設計的軸系進行了動態(tài)優(yōu)化設計并對碰摩系統(tǒng)進行了智能優(yōu)化設計，最后，對軸系進行了可視優(yōu)化設計。
　　 (2)介紹了求解非線性問題的非線性有限元方法，利用非線性有限元方法研究了單點碰

4、摩、局部弧形碰摩和整周碰摩情況下轉子的動力學特性，并考察了碰摩間隙、碰摩剛度、碰摩位置和偏心量等參數(shù)對系統(tǒng)動力學特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)單點碰摩主要是沖擊碰撞，頻率成分以高倍頻成分為主，局部弧形碰摩則碰撞和摩擦都很嚴重，頻率成分低頻和高頻并存，隨著碰摩的弧形區(qū)域的加大，出現(xiàn)了更低的頻率成分，整周碰摩則以摩擦為主，幅值譜圖出現(xiàn)連續(xù)譜。
　　 (3)利用非線性有限元方法對轉軸出現(xiàn)的裂紋故障進行了研究，并考察了裂紋深度和裂紋位置對系統(tǒng)動力

5、學特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)淺裂紋對系統(tǒng)動力學影響不大，當裂紋擴展到半徑深度以后，對系統(tǒng)的動力學特性有很大影響，裂紋位置在遠離葉輪時，主要以2X為主，裂紋位置逐漸靠近葉輪時，主要以5X為主；但裂紋激起的主要是規(guī)則的高倍頻成分。
　　 (4)利用非線性有限元方法對裂紋-碰摩耦合故障進行了研究，研究表明當裂紋加深時，引發(fā)的碰摩更加嚴重，從軸心軌跡可以清楚看到碰摩引起的反進動。對于弧形碰摩和整周碰摩，幅值譜圖上均有連續(xù)譜出現(xiàn)，其中5X比較明

6、顯。
　　 (5)利用小型轉子試驗臺，對轉子系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的轉定子碰摩、轉軸裂紋、裂紋-碰摩和油膜失穩(wěn)-軸承碰摩耦合故障進行了實驗研究，對測得的振動信號，利用三維譜振圖、重排小波尺度圖、幅值譜圖、軸心軌跡進行了故障特征提取。對單點碰摩研究表明，頻率成分主要以高倍頻成分為主，出現(xiàn)的頻率成分越高，表明碰摩越嚴重；局部弧形碰摩研究表明，在臨界轉速前發(fā)生的碰摩主要以低頻成分為主，產(chǎn)生的頻率系列越低，表明碰摩越嚴重，在臨界轉速附近發(fā)生的碰摩

7、低頻和高頻成分并存，且當碰摩較輕時以高倍頻為主，嚴重時出現(xiàn)不可公約的低頻成分和有色噪聲成分。
　　 (6)對裂紋-碰摩耦合故障的研究表明，碰摩較輕時以規(guī)則的X/2諧波系列為主，當碰摩加重時產(chǎn)生X/4諧波系列，再加重時幅值譜圖產(chǎn)生連續(xù)譜。通過小波分解后，再利用重排小波尺度進行故障特征提取，可以有效的提取碰摩引起的沖擊成分，研究結果表明發(fā)生輕微碰摩時，一周碰一次且碰摩程度一次輕一次重交替出現(xiàn)。
　　 (7)對發(fā)生油膜失穩(wěn)-軸

8、承碰摩故障進行了研究，結果表明油膜失穩(wěn)前引發(fā)的碰摩主要以高倍頻成分為主；油膜失穩(wěn)后引發(fā)的輕微碰摩出現(xiàn)組合頻率成分，但成分較少；油膜失穩(wěn)后引發(fā)的嚴重碰摩時出現(xiàn)較多的組合頻率；其中出現(xiàn)較低的組合頻率時，暗示系統(tǒng)發(fā)生油膜振蕩，此時的碰摩也是最嚴重的。
　　 (8)對碰摩轉子響應時間序列的混沌特性進行了研究。首先利用代替數(shù)據(jù)法對實驗和仿真數(shù)據(jù)進行非線性識別，接著計算其最大Lyapunov指數(shù)、關聯(lián)維數(shù)、復雜度、近似熵和混沌度等非線性參數(shù)

9、。結果表明，對碰摩仿真數(shù)據(jù)而言，碰摩嚴重時系統(tǒng)所具有的非線性參數(shù)，均較輕微碰摩時大。利用關聯(lián)維數(shù)、復雜度和近似熵對碰摩實驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明關聯(lián)維數(shù)對碰摩程度敏感度最高，近似熵次之，復雜度再次之，最大Lyapunov指數(shù)最差。
　　 (9)通過對裂紋-碰摩實驗數(shù)據(jù)在3個不同碰摩階段的實驗數(shù)據(jù)利用混沌指數(shù)進行分析表明，在14s～15s和17s～18s的碰摩具有相近的混沌指數(shù)，同屬于輕微碰摩階段；而在18s～19s的碰摩混沌指數(shù)