耦合故障復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械是在工業(yè)部門中應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)械設(shè)備，它的穩(wěn)定運(yùn)行影響著整個(gè)工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。隨著社會(huì)的發(fā)展需要，現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械正朝著高速、重載、自動(dòng)化和復(fù)雜化方向發(fā)展，由此所引發(fā)的問(wèn)題也越來(lái)越多。由于運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，復(fù)雜高速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)常由于非線性因素激發(fā)起各種故障，使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性甚至發(fā)生毀機(jī)事故，這些事故一般情況下所造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和社會(huì)危害是難以估量的，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的穩(wěn)定性研究是十分必要的。以往對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性特性及穩(wěn)定性

2、研究一般采用簡(jiǎn)單的動(dòng)力模型，對(duì)于較為復(fù)雜的工程機(jī)組，這類模型已經(jīng)不能勝任。因此，對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)建模和運(yùn)行穩(wěn)定性研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前國(guó)內(nèi)外一些科技工作者也開始注意到這方面的問(wèn)題，并取得了一定的成果。本研究以東北大學(xué)與沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合進(jìn)行的“大型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”橫向課題為背景，以聞邦椿教授提出的“基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)理論與方法”框架內(nèi)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究為目的，進(jìn)行了含故障復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，

3、即含單故障/耦合故障的單跨雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)、含耦合故障的雙跨多盤的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的周期運(yùn)行穩(wěn)定性及分岔特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容和如下：
　　 (1)研究了求解復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)周期解及判斷其穩(wěn)定性、分岔的延拓打靶算法，以有限元理論為基礎(chǔ)開發(fā)了轉(zhuǎn)子-軸承非線性動(dòng)力學(xué)工具箱，該工具箱共含50余個(gè)子函數(shù)，功能包括：計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，材料阻尼系數(shù)，彈性支承系統(tǒng)的時(shí)域及頻域響應(yīng)，單跨和多跨非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時(shí)域、頻域響應(yīng)，以及分

4、岔、混沌、穩(wěn)定性等問(wèn)題。其中非線性因素包括油膜支承、裂紋、碰摩等。為獲得較高的計(jì)算精度和有效地節(jié)約計(jì)算成本，工具箱含有無(wú)量綱化和降維處理等功能。
　　 (2)建立了油膜支承雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型，利用求解非線性系統(tǒng)周期解的延拓打靶方法，研究了系統(tǒng)在偏心量-轉(zhuǎn)速、偏心相位-轉(zhuǎn)速、軸承長(zhǎng)徑比-轉(zhuǎn)速、軸承間隙-轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性及分岔行為，得到了系統(tǒng)周期運(yùn)行的失穩(wěn)規(guī)律；搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)

5、驗(yàn)研究了油膜支承的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)特性及非線性振動(dòng)特征。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的同頻周期運(yùn)動(dòng)主要以倍周期、Hopf分岔失穩(wěn)，并且隨著某一參數(shù)的變化系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和吸引域發(fā)生變化，使系統(tǒng)分岔曲線會(huì)發(fā)生跳躍突變現(xiàn)象，通常情況下，隨著分岔類型的跳躍變化失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生突變。
　　 (3)以油膜支承含碰摩故障雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對(duì)于不同碰摩位置在摩擦系數(shù)-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn)分岔行為及

6、其規(guī)律；開發(fā)了配套的碰摩監(jiān)測(cè)裝置，并搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了主要的分析結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)不同的碰摩位置和偏心量對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性著很大的影響，這里認(rèn)為碰摩故障比較容易改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；當(dāng)碰摩故障加重時(shí)容易干擾“油膜渦動(dòng)”及“油膜振蕩”的發(fā)生，使失穩(wěn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，碰摩故障容易使頻域響應(yīng)出現(xiàn)倍頻成份。
　　 (4)對(duì)于油膜支承含裂紋故障的雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，分析了裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)于裂紋在偏心量-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速、裂紋位

7、置-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及失穩(wěn)規(guī)律；并做了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)裂紋的存在以及位置的變化對(duì)系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速和失穩(wěn)類型的影響并不是很大，隨著裂紋的擴(kuò)展失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有緩慢升高趨勢(shì)，主要原因是由于裂紋的存在干擾了油膜渦動(dòng)的形成，但這并不是說(shuō)裂紋的存在是有益的，它的存在將給機(jī)組帶來(lái)很大隱患，對(duì)于數(shù)值計(jì)算當(dāng)裂紋深度達(dá)到一定程度時(shí)將會(huì)發(fā)散而無(wú)法計(jì)算，對(duì)應(yīng)于工程現(xiàn)場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)毀機(jī)事故，因此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的裂紋故障是必須避免的。
　　 (5)對(duì)于含有

8、碰摩-裂紋耦合故障的雙盤多自由度轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，分析了其偏心量-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)的運(yùn)行穩(wěn)定性及分岔規(guī)律，并做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)隨著偏心量的增加，系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有降低趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的偏心量增大到一定程度時(shí)，由于定子對(duì)其限制作用會(huì)使系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)碰摩間隙減小時(shí)，同樣因?yàn)樵龃罅伺瞿ακ瓜到y(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有升高現(xiàn)象；另外在碰摩和裂紋耦合故障的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中，碰摩故障對(duì)系統(tǒng)的影響較為明顯，裂紋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的

9、影響相對(duì)于碰摩故障稍微弱一些。
　　 (6)建立了考慮油膜支承含碰摩-裂紋耦合故障的雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究了其在偏心量-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)研究穩(wěn)定性及分岔行為，并做了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究表明雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的失穩(wěn)特性不同于前面單跨系統(tǒng)，其分岔類型和失穩(wěn)轉(zhuǎn)速并沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象，這主要是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性所決定的。對(duì)于含耦合故障雙跨系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究表明，由于彈性聯(lián)軸器的作用，使兩端轉(zhuǎn)子的響