碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性及其故障分析研究.pdf

1、轉(zhuǎn)子與靜子間的碰摩是汽輪發(fā)電機組等大型高速旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的常見故障之一。為了滿足現(xiàn)代機械對高轉(zhuǎn)速、高效率的要求，轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙越來越小，小間隙增加了碰摩發(fā)生的機率。碰摩是一類非常復(fù)雜的動力學(xué)行為，碰摩過程具有非光滑和強非線性特點，可能導(dǎo)致密封磨損、葉片彎曲或斷裂、轉(zhuǎn)軸熱彎曲、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重的將引發(fā)運行事故。合理地建立碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動力學(xué)分析，深入研究碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性以及分岔、混沌等現(xiàn)象，

2、能夠揭示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動規(guī)律，改善系統(tǒng)的動力學(xué)特性。碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號為非平穩(wěn)、非線性、時變信號，合理地分析碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號，有效地提取碰摩故障特征，準(zhǔn)確地判斷轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩位置，是碰摩故障診斷的關(guān)鍵內(nèi)容，對保障機組安全、穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。
　　本文分析了碰摩模型，在此基礎(chǔ)上建立了碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)方程，采用數(shù)值模擬方法分析了碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性，研究了碰摩故障特征提取技術(shù)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向碰摩的軸向位置識別方

3、法。主要研究工作和成果如下:
　　(1)研究了轉(zhuǎn)子與靜子間的徑向碰摩，對徑向碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的物理模型、碰摩力模型和系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行了分類。將物理模型根據(jù)支承是否為剛性分為剛性支承模型和彈性支承模型;將基于動態(tài)接觸理論的法向碰摩力模型分為線性彈簧模型、基于Hertz理論的非線性模型和非線性彈簧阻尼模型;將切向摩擦力模型分為線性庫侖力模型、非線性庫侖力模型、非線性Hertz模型、鬃毛模型和LuGre模型;將碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型分為約

4、束微分系統(tǒng)模型和分段光滑系統(tǒng)模型。分析了各種模型的原理、表達(dá)形式和適用范圍，為碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析提供理論依據(jù)。
　　(2)分析了軸頸在滑動軸承中的受力情況，采用Capone非線性油膜力模型，建立了考慮非線性油膜力和非線性摩擦力時的碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)方程，并對其進(jìn)行了數(shù)值分析。數(shù)值分析結(jié)果表明:當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，切向摩擦力中的速度影響系數(shù)對系統(tǒng)的影響較小，但隨著速度影響系數(shù)的增大，系統(tǒng)的振動幅值將增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時，速度影

5、響系數(shù)對系統(tǒng)的影響較大。當(dāng)轉(zhuǎn)速值遠(yuǎn)大于臨界轉(zhuǎn)速時，速度影響系數(shù)對系統(tǒng)的影響最為明顯，此時，很小的速度影響系數(shù)也會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運動現(xiàn)象。
　　(3)分析了轉(zhuǎn)軸和支承系統(tǒng)在兩個主方向的剛度分別或同時非對稱時碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特點，建立了考慮非線性油膜力和非對稱剛度時的碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)方程，并對其進(jìn)行了數(shù)值分析。數(shù)值分析結(jié)果表明:轉(zhuǎn)軸和支承系統(tǒng)主方向上剛度非對稱將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)軸和支承系統(tǒng)在兩個主方向上的剛度比的大小將影響碰摩

6、的嚴(yán)重程度，因此，在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該盡量減小轉(zhuǎn)軸和支承系統(tǒng)在兩個主方向上的剛度差異。
　　(4)分析了雙跨碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，建立了考慮非線性油膜力、雙跨轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心和雙跨轉(zhuǎn)子間聯(lián)軸器剛度時的碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)方程，并對其進(jìn)行了數(shù)值分析。數(shù)值分析結(jié)果表明:質(zhì)量偏心與碰摩的耦合作用將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的混沌運動區(qū)域，混沌區(qū)域的大小與碰摩的嚴(yán)重程度和質(zhì)量偏心量的大小有關(guān)。當(dāng)雙跨轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心方向相同時，聯(lián)軸器的剛度的大

7、小和系統(tǒng)的振動位移量成反比例關(guān)系。當(dāng)雙跨轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心方向相反時，系統(tǒng)響應(yīng)的混沌區(qū)域最大。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生碰摩時，較小的聯(lián)軸器剛度都將導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入混沌運動狀態(tài)。構(gòu)建了雙跨碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)實驗臺，通過實驗驗證了雙跨質(zhì)量偏心角度差對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。實驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果基本相符合。因此，在設(shè)計和安裝雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時，應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心量，選取具有合適剛度的聯(lián)軸器。
　　(5)研究了碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障特征提取技術(shù)，指出LMD(Loca

8、l MeanDecomposition)時頻分析方法由于具有自適應(yīng)性和能夠解調(diào)調(diào)制信號的特點，適合分析非線性、非平穩(wěn)和時變振動信號。研究了局部均值和局部幅值的平滑方法，提出了基于差分的端點延拓新方法。將端點延拓后的多頻仿真信號、碰摩仿真信號和實驗臺實測信號進(jìn)行LMD分解，成功地提取出了碰摩故障特征。
　　(6)研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩位置識別技術(shù)，提出了基于LMD能量特征和支持向量機的多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向碰摩的軸向位置識別新方法，并用實驗臺