碰摩故障转子系统动力学特性研究

论文摘要

旋转机械通常是指含有回转运动部件的机械设备,是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备。转子-轴承系统作为旋转机械的核心部件,在国防、能源、电力、交通和化工等领域中得到广泛应用并发挥着无可替代的作用。转子系统振动过大是引起故障的主要原因。其振动主要包括转轴的扭转振动、弯曲振动、圆盘振动、轴承振动、管接振动等。由于旋转机械应用在不同领域,所处的工作环境也各不相同,所以诱发转子发生故障的原因也多种多样。最常见的故障有碰摩,不对中,裂纹,油膜震荡,松动等。除了单一故障外,还出现各种类型的耦合故障,其振动特性更加复杂。本文主要研究转子系统碰摩故障的振动特性。运用转子动力学理论,建立了系统的集中质量模型。用数值和实验方法研究了简单转子系统在不同碰摩模型下的动力学特性,并且对不对中-碰摩耦合故障进行了分析研究。本文的工作主要包括以下几个方面：（1）介绍了转子系统动静件碰摩的基本理论和数值算法,建立了单点碰摩模型。基于非线性理论和数值解法研究了单点碰摩情况下转子系统的动力学特性,考察了间隙、碰摩刚度、转速、摩擦系数、不平衡量等碰摩参数变化对单点碰摩的影响,发现了系统周期运动的规律,并与实验数据进行比较验证；（2）建立了局部碰摩系统动力学模型,对不同碰摩参数对局部碰摩动力学特性的影响做了研究分析,并与单点碰摩模型进行了对比,发现局部碰摩也同样具有周期运动规律,但运动形式表现的更加复杂,非线性特性也更加突出；（3）基于Hertz接触理论,建立了Hertz接触碰摩动力学模型,并在此基础上,分别对单点碰摩和局部碰摩进行仿真,与分段线性刚度模型比较发现,Hertz接触碰摩力模型用材料属性来表达定转子间的接触,更加接近实际情况,但Hertz接触模型在使用上有较大的限制性；（4）建立了单跨转子系统的不对中动力学模型,并对不同影响参数下具有不对中故障的转子系统振动响应进行了仿真分析,发现具有不对中故障的转子系统的振动频谱中会出现工频和多倍频成分,多倍频以二倍频为主,不对中越严重,二倍频所占比例越大；在不对中故障状态下,转子的轴心轨迹呈现“香蕉”形或“水滴”形；（5）建立了单跨转子系统不对中-碰摩耦合动力学模型,对系统在不同转速、不同碰摩刚度以及不同不对中程度下的振动特性做了全局性分析,并与只有碰摩故障和不对中故障时的动力学特性做以比较,发现耦合故障并不是单一故障单纯的叠加,除了具有碰摩和不对中故障特性外,还有一些耦合故障所独有的特性；（6）建立了单跨转子系统松动-碰摩耦合动力学模型,对系统在不同转速、不同碰摩刚度以及不同松动刚度下的振动特性做了全局性分析,发现耦合故障并不是单一故障单纯的叠加,除了具有碰摩和松动故障特性外,还有一些耦合故障所独有的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 转子系统碰摩故障简介
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 转子动力学的研究
• 1.3.2 转子系统碰摩故障的研究
• 1.3.3 碰摩转子故障特征与诊断的研究
• 1.3.4 耦合转子故障的研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 简单转子系统单点碰摩故障研究
• 2.1 概述
• 2.2 Newmark-β数值算法
• 2.3 碰摩模型的建立
• 2.4 单点碰摩故障研究
• 2.4.1 碰摩间隙对系统的影响
• 2.4.2 碰摩刚度对系统的影响
• 2.4.3 摩擦系数对系统的影响
• 2.4.4 转速对系统的影响
• 2.4.5 不平衡量对系统的影响
• 2.5 与实验的对比验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 简单转子系统局部碰摩故障研究
• 3.1 概述
• 3.2 局部碰摩故障动力学模型的建立
• 3.3 局部碰摩故障研究
• 3.3.1 碰摩区域对系统的影响
• 3.3.2 碰摩刚度对系统的影响
• 3.3.3 不平衡量对系统的影响
• 3.3.4 转速对系统的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 Hertz接触碰摩模型的分析与研究
• 4.1 概述
• 4.2 基于Hertz接触理论的碰摩模型
• 4.3 基于Hertz接触理论的碰摩故障
• 4.3.1 基于Hertz接触理论的单点碰摩
• 4.3.2 基于Hertz接触理论的整周碰摩
• 4.4 本章小结
• 第5章 转子系统不对中-碰摩耦合故障研究
• 5.1 概述
• 5.2 转子的不对中-碰摩耦合故障
• 5.2.1 不对中故障的机理及特征
• 5.2.2 不对中故障系统的动力学模型
• 5.2.3 单跨转子不对中的动力学仿真
• 5.3 转子不对中-碰摩耦合故障
• 5.3.1 转子不对中-碰摩耦合故障动力学模型的建立
• 5.3.2 转子不对中-碰摩耦合故障的动力学行为
• 5.4 本章小结
• 第6章 转子系统松动-碰摩耦合故障研究
• 6.1 概述
• 6.2 松动转子系统动力学特性
• 6.2.1 松动转子系统的动力学模型
• 6.2.2 松动转子系统的运动微分方程
• 6.2.3 松动转子系统动力学行为
• 6.3 松动-碰摩耦合故障动力学特性
• 6.3.1 松动-碰摩耦合故障系统动力学模型
• 6.3.2 松动-碰摩耦合故障系统运动微分方程
• 6.3.3 松动-碰摩耦合故障动力学特性
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢