帶故障懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)若干非線性動力學問題的研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機械是指大型汽輪發(fā)電機組、水輪發(fā)電機組、核電機組、航空航天發(fā)動機、高速壓縮機、離心機、離心泵和高精度機床等以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為工作主體的機械設備，它們廣泛地應用于電力、石化、冶金、機械、航空等各工業(yè)部門。大型旋轉(zhuǎn)機械是一個復雜的多自由度非線性振動系統(tǒng)，常常由于出現(xiàn)各種不同形式的故障而影響其正常工作，有時甚至會發(fā)生由某些故障引發(fā)的嚴重的機毀人亡事故，并造成重大的經(jīng)濟損失。懸臂式旋轉(zhuǎn)機械在工程中有著較為廣泛的應用，例如，核電站冷卻劑泵、大型軸流

2、通風機、低揚程大流量軸流水泵機組等，都是懸臂式旋轉(zhuǎn)機械。以前對于帶故障旋轉(zhuǎn)機械動力學特性的研究，主要是基于Jeffcott等較簡單的兩端支承中間為集中質(zhì)量的轉(zhuǎn)子模型，對于懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性的研究較少，而實際中懸臂部分往往是重要的工作部件，因此研究懸臂部分在各種故障情況下的動力學特性具有重要的理論意義和工程實用價值。 本文以帶故障的懸臂式旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為主要研究對象，首先介紹了現(xiàn)代接觸力學的基本理論及接觸問題的非線性有限元

3、解法，然后針對懸臂式旋轉(zhuǎn)機械，建立了一個雙盤懸臂轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的力學模型，根據(jù)碰摩、松動等故障的接觸本質(zhì)，用非線性有限元方法研究了考慮碰摩故障、松動故障以及碰摩-松動耦合故障的雙盤懸臂轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學特性，并對雙盤懸臂轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的若干故障進行了試驗研究，最后用非線性有限元方法研究了帶有碰摩故障的某核電站主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性，本文的主要工作表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.介紹了現(xiàn)代接觸力學的基本理論及求解接觸問題的非線性有

4、限元方法，并用Jeffcott碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)驗證了用非線性有限元方法研究碰摩問題的可行性及有效性。 2.建立了雙盤立式懸臂碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的力學模型和有限元模型，用非線性有限元方法研究了單點碰摩和不定點碰摩兩種碰摩情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性，并考察了碰摩剛度、碰摩間隙、碰摩位置、偏心量等參數(shù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)生單點碰摩時，都是發(fā)生碰摩的圓盤的響應譜頻率成分最多，而沒有碰摩的響應譜頻率成分較少，而且不管是碰摩在哪個圓盤上發(fā)生，都

5、是中間圓盤的運動軌跡先發(fā)生反進動。 3.建立了考慮一端支座松動故障的雙盤立式懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學模型和有限元模型，并用非線性有限元方法研究了松動剛度、松動間隙和不同支座松動時系統(tǒng)的動力學特性和故障特征，研究表明支座松動較輕時，松動位置處響應譜上主要出現(xiàn)豐富的2倍、3倍、4倍等工頻的整數(shù)倍頻率成分，轉(zhuǎn)子圓盤處運動變化不大；而當松動較嚴重時，松動位置處的響應譜上出現(xiàn)工頻的分數(shù)倍頻率成分，此時轉(zhuǎn)子圓盤處的運動受支座松動的影響較大。

6、 4.建立了考慮松動-碰摩耦合故障的雙盤懸臂立式轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的力學模型和有限元模型，并基于非線性有限元方法和接觸理論研究了松動剛度和碰摩間隙兩個重要參數(shù)對懸臂盤碰摩和靠近懸臂盤一端軸承發(fā)生松動的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性的影響，研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)靜件碰摩能夠減小松動引起的低頻振動，而支座松動產(chǎn)生的碰摩具有明顯的方向性。 5.對雙盤懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩、裂紋單一故障和碰摩-裂紋耦合故障進行了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，以碰為主的碰摩行為只會產(chǎn)生工