橫向流體激振力作用下故障葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、本文的研究是甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“葉輪內(nèi)部流場(chǎng)流固耦合機(jī)理及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性研究”(ZS031-B25-009-G)的主要內(nèi)容。
　　葉輪機(jī)械作為應(yīng)用最為廣泛的一類旋轉(zhuǎn)機(jī)械,其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常常發(fā)生各種諸如質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)軸裂紋、基礎(chǔ)松動(dòng)、轉(zhuǎn)靜子碰摩等不同形式的故障而影響正常工作。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)子渦動(dòng)時(shí)作用在葉輪上的橫向流體激振力會(huì)對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子的非線性動(dòng)力學(xué)行為產(chǎn)生較大影響。因此,深入開展故障葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力作用下的非線性動(dòng)力學(xué)行為的研究具

2、有較高的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
　　本文在研究了國內(nèi)外關(guān)于故障葉輪轉(zhuǎn)子各種動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,綜合考慮了作用在葉輪上的橫向流體激振力,建立了全新的故障葉輪轉(zhuǎn)子非線性動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)橫向流體激振力與各種故障綜合作用下的葉輪轉(zhuǎn)子的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究。全文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論為:
　　(1)建立了不平衡剛性葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的動(dòng)力學(xué)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程。利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了

3、求解,并進(jìn)一步做出了系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)子正向渦動(dòng)時(shí),橫向流體激振力可以使該類葉輪轉(zhuǎn)子的非線性動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜化,并使系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的區(qū)域擴(kuò)大;質(zhì)量偏心是使葉輪轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜化的另外一個(gè)重要原因。
　　(2)建立了裂紋葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動(dòng)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程。利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了求解,并進(jìn)一步做出了系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相

4、圖。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子正向渦動(dòng)時(shí),橫向流體激振力可以該類使葉輪轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)行為更加復(fù)雜;裂紋深度越大對(duì)系統(tǒng)的分岔特性影響就越劇烈,但相比較而言,橫向流體激振力對(duì)系統(tǒng)分岔特性的影響更為明顯。
　　(3)把葉輪轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為中間帶有剛性圓盤的柔性軸轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上建立了帶有基礎(chǔ)松動(dòng)故障的葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動(dòng)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程。利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了求解,并進(jìn)一步做出了系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖以及龐

5、加萊映射圖、相圖。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子正向渦動(dòng)時(shí),橫向流體激振力是促使帶有基礎(chǔ)松動(dòng)故障的葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜化趨勢(shì)的一個(gè)重要因素;松動(dòng)端軸承支座質(zhì)量的變化,可以使得系統(tǒng)的分岔形式和分岔點(diǎn)都發(fā)生較大變化,而且松動(dòng)端支座質(zhì)量越大,系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換得越頻繁,在分岔圖中就表現(xiàn)為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)期間內(nèi)間隔的周期窗口數(shù)增多;分岔圖的收尾階段也呈現(xiàn)復(fù)雜化的趨勢(shì)。
　　(4)建立了帶有轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力

6、作用下的振動(dòng)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程。利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了求解,并進(jìn)一步做出了系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子正向渦動(dòng)時(shí),在轉(zhuǎn)速較低的情況下(980rad/s以下),橫向流體力對(duì)系統(tǒng)的分岔特性并沒有多大影響;但是在980rad/以后的速度區(qū)段內(nèi),流體力使系統(tǒng)的分岔特性發(fā)生了深刻變化,分岔圖中間速度區(qū)段內(nèi)短暫的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和長時(shí)間的周期一運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹芷谶\(yùn)動(dòng)與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)頻繁轉(zhuǎn)換的不規(guī)則運(yùn)動(dòng);流體力還使得系

7、統(tǒng)發(fā)生在最后速度區(qū)段上的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的范圍劇烈擴(kuò)大,并且使得無流體力時(shí)發(fā)生在1785rad/s?1820rad/s之間的周期窗口消失;轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的增大可以使該類葉輪轉(zhuǎn)子的分岔特性復(fù)雜化。
　　(5)建立了帶有基礎(chǔ)松動(dòng)和碰摩耦合故障的葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的振動(dòng)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了求解,并進(jìn)一步做出了系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的分岔圖以及龐加萊映射圖、相圖。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子正向渦動(dòng)時(shí)

8、,在低速域內(nèi)(800rad/s以下),橫向流體力對(duì)系統(tǒng)的分岔特性并沒有太大影響,即流體力對(duì)系統(tǒng)的分岔特性不起主導(dǎo)作用;但是在800rad/s以后的高速域內(nèi),橫向流體激振力對(duì)該類故障轉(zhuǎn)子的分岔特性影響較為深刻;轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的增大可以使得該類葉輪轉(zhuǎn)子的分岔特性復(fù)雜化。
　　(6)建立了帶有基礎(chǔ)松動(dòng)與轉(zhuǎn)軸裂紋耦合故障的葉輪轉(zhuǎn)子在橫向流體激振力和非線性軸承油膜力作用下的動(dòng)力學(xué)模型并推導(dǎo)了系統(tǒng)的無量綱運(yùn)動(dòng)方程。利用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行了求