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基于多体接触瞬态动力学不对中故障模拟及试验验证

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机械工程学报 2023年第13期59卷 133-147页

作者：左彦飞李宁马波史守州冯坤北京化工大学机电工程学院北京100029 北京化工大学发动机健康监控及网络化教育部重点实验室北京100029 北京化工大学高端机械装备健康监控与自愈化北京市重点实验室北京100029

提出一种基于多体接触瞬态动力学的转子系统不对中故障等效模拟分析方法,通过偏移(偏转)驱动转速,模拟各部件非线性接触运动产生不对中激励,分析了模拟方法的力学等效性。以典型电机-泵系统为对象,建立了多体动力学模型,获得了高次谐波... 详细信息

提出一种基于多体接触瞬态动力学的转子系统不对中故障等效模拟分析方法,通过偏移(偏转)驱动转速,模拟各部件非线性接触运动产生不对中激励,分析了模拟方法的力学等效性。以典型电机-泵系统为对象,建立了多体动力学模型,获得了高次谐波及相应相位特征,研究了螺栓与半联轴器、滚动体与内外圈的瞬态接触力及箱体振动响应,得到了高次谐波特征产生机理及联轴器两侧振动相位特征。通过试验测试,验证了模拟分析方法模拟主要故障特征的正确性。结果表明:单个螺栓与半联轴器间的瞬态接触力是产生不对中故障特征的激励源;箱体振动响应频谱中除产生1、2倍频外,还产生3、4倍频等高次谐波;平行(角度)不对中时联轴器两侧径向2倍频(1倍频)相位差为180°(0°)左右,且随不对中量增大呈递减(递增)趋势;箱体振动仿真及测试结果的故障特征频率大小一致,各特征频率幅值相对大小、幅值随不对中量变化规律均具有较好的一致性。

关键词：联轴器不对中电机-泵系统频谱分析振动相位多体动力学

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不对中和碰摩耦合故障下转子系统动力学分析

不对中和碰摩耦合故障下转子系统动力学分析

作者：蔚建辉太原理工大学

学位级别：硕士

作为旋转机械的核心部件,转子系统往往因加工精度及安装误差等原因,相邻转子间出现不对中故障,由此引发的机组振动问题较为明显。当转子系统发生不对中故障时,通常会导致转轴弯曲变形,转静碰摩等二次故障,影响设备正常使用,进而引发灾... 详细信息

作为旋转机械的核心部件,转子系统往往因加工精度及安装误差等原因,相邻转子间出现不对中故障,由此引发的机组振动问题较为明显。当转子系统发生不对中故障时,通常会导致转轴弯曲变形,转静碰摩等二次故障,影响设备正常使用,进而引发灾难性事故。随着转子系统向高转速、高效率方向发展,由不对中引起的碰摩故障问题愈发突出。因此,深入研究转子系统在不对中-碰摩耦合故障下的动力学行为,揭示系统参数对机组轴系振动特性及失稳规律的影响具有重要意义。本文基于转子动力学理论和方法,建立了不对中和碰摩故障下机组轴系振动模型及运动微分方程,利用Floquet理论及数值分析方法,系统研究了具有轴承不对中-碰摩耦合故障的双转子系统非线性动态响应,讨论了轴流式水轮机组联轴器偏角不对中-碰摩耦合故障下转子-转轮系统动力学行为等。论文主要研究成果如下:(1)为揭示因轴承不对中导致的故障转子系统振动特性,本文基于坐标变换关系,推导了轴承不对中下转子偏转位移表达式。在此基础上,建立了综合考虑碰摩力、油膜力等外激励影响下双盘转子轴承不对中-碰摩耦合故障系统动力学模型。借助打靶法和Floquet理论,探讨了有无不对中情况下系统随转速变化的动态特性差异,并采用数值方法研究了转速及质量偏心对系统动态特性的影响。结果表明,不对中量的存在显著改变了系统动态特性,增加了系统的失稳概率。此外,轴承不对中故障的存在会增加系统碰摩发生可能性、恶化轴系振动并加大系统非稳态运动范围。虽然不对中量的加入可在一定程度上延缓系统因参数变化引起的失稳运动,但据此产生的振幅增加与系统安全运行目标相悖,故应采取必要措施对轴承不对中故障加以控制。(2)针对轴流式水轮发电机组因联轴器偏角不对中引起的碰摩转子-转轮系统振动问题,基于修正的Lu Gre摩擦模型,本文推导了联轴器不对中故障下转轮叶片碰摩力表达式。在此基础上,搭建了综合考虑不平衡磁拉力等外激励作用下系统动力学模型。采用数值方法研究了不对中角度对系统振动特性的影响,并结合Floquet理论分析了以转速为控制变量的系统周期解稳定性。结果表明:不对中的存在增大了系统发生失稳可能性,显著改变了系统动态特性。此外,不对中角度对转子与转轮振动响应的影响具有较大差异,随着不对中角度的增加,转轮振动变化明显且碰摩程度较为恶劣。本文研究结果可为轴流式水轮发电机组安全运行及稳定性分析提供有益借鉴。

关键词：转子-轴承系统转子-转轮系统轴承不对中碰摩联轴器不对中振动特性稳定性

基于多体接触瞬态动力学轴系不对中模拟方法及振动特性研究

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基于多体接触瞬态动力学轴系不对中模拟方法及振动特性研究

作者：李宁北京化工大学

学位级别：硕士

旋转机械由于结构及运行工况复杂,往往难以达到理想对中状态,联轴器及支点不对中故障频发,甚至引发其他轴系故障,不对中已成为影响各类旋转机械安全稳定运行的主要故障之一。虽然学者们基于不对中故障开展了大量研究,但多研究其1、2倍... 详细信息

旋转机械由于结构及运行工况复杂,往往难以达到理想对中状态,联轴器及支点不对中故障频发,甚至引发其他轴系故障,不对中已成为影响各类旋转机械安全稳定运行的主要故障之一。虽然学者们基于不对中故障开展了大量研究,但多研究其1、2倍频及轴心轨迹等故障特征。而实际工程中的不对中故障特征往往较复杂,部分机械除1、2倍频外还存在其它频率成分,部分机械则主要包含1倍频成分,这增加了不对中故障特征产生机理分析及不平衡、不对中故障区分诊断的难度。为此,本文面向工程中不对中故障特征分析及诊断需求,研究合适的不对中故障等效模拟方法,深入分析了两种典型传动系统联轴器不对中故障激励源及其响应特性,并开展了试验验证,对于工程中的不对中故障分析及诊断具有重要意义。主要包括:(1)提出一种基于多体接触瞬态动力学的转子系统不对中故障等效模拟分析方法,通过偏移(偏转)驱动转速,模拟各部件非线性接触运动产生不对中激励。基于联轴器运动学机理分析了模拟方法与实际转子系统的力学等效性,并对平行、角度不对中转子系统进行了受力分析。之后简单介绍了转子系统瞬态接触力模拟方法及动力学方程的建立求解方法。(2)针对部分机械不对中故障特征为1、2倍频及更高次谐波的问题,以典型电机-泵系统为研究对象,建立了多体动力学模型,实现了平行、角度不对中故障的模拟,获得了高次谐波及相应相位特征。研究了螺栓与半联轴器、滚动体与内外圈的瞬态接触力及箱体振动响应,得到了高次谐波特征产生机理、联轴器两侧振动相位特征及箱体振动响应特征的变化规律。并通过试验测试,验证了模拟分析方法模拟主要故障特征的正确性。(3)针对航空发动机不对中与不平衡故障频谱特征相似,诊断难度大的问题,以典型发动机低压转子-中介机匣系统为研究对象,建立了多体动力学模型并分别模拟其平行、角度及复合不对中故障,研究了柔性联轴器、轴承滚动体与内外圈、轴承外圈与中介机匣间的瞬态接触力及机匣测点的振动响应特征,得到了不对中故障特征产生机理及传递过程中轴向、径向倍频激励变化规律,获得了显著的轴向1～3倍频不对中响应特征及轴向、径向振动响应变化规律,可为航空发动机不对中故障的深入研究及不对中、不平衡故障的区分诊断提供一定参考。

关键词：联轴器不对中电机-泵系统航空发动机频谱分析振动相位多体动力学

基于HB-AFT方法的不对中转子系统超谐共振分析

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机械工程学报 2019年第13期55卷 80-86页

作者：李洪亮侯磊徐梅鹏陈予恕哈尔滨工业大学航天学院

考虑球轴承的非线性支承力和联轴器不对中的影响,建立含套齿联轴器的偏盘转子系统动力学模型,研究系统在转子不平衡激励和联轴器不对中激励共同作用下的非线性响应特性。针对具有分段和分数指数强非线性特性的动力学方程,采用谐波平衡法... 详细信息

考虑球轴承的非线性支承力和联轴器不对中的影响,建立含套齿联轴器的偏盘转子系统动力学模型,研究系统在转子不平衡激励和联轴器不对中激励共同作用下的非线性响应特性。针对具有分段和分数指数强非线性特性的动力学方程,采用谐波平衡法-时频域转换技术(HB-AFT)求得系统的周期解,并与数值积分结果进行对比,证明HB-AFT方法的有效性。结合弧长延拓方法和Floquet理论分析转子系统的超谐波共振特性,在低速区发现若干超谐波共振区域,其中以第三次超谐波共振较为明显。在高速区发现二次超谐波共振,共振曲线具有明显的硬弹簧特征且上翘,共振峰值较大,容易发生剧烈的振动突跳行为,给转子系统造成冲击和损害。探讨轴承间隙、轴承阻尼、不对中和外加载力(定常载荷)对超谐波共振曲线的影响规律,为控制策略的制定提供了一定的参考依据。

关键词：联轴器不对中非线性支承 HB-AFT方法超谐共振

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汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断

汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断

作者：汪磊华北电力大学（北京）

学位级别：硕士

转子不对中是汽轮发电机组轴系在启机和运行中典型故障之一,联轴器不对中和轴承不对中是不对中的两种形式。为了确保机组的安全稳定运行,本文以汽轮发电机组轴系为对象,研究了转子不对中的振动特性和诊断方法。本文对目前机组普遍使用... 详细信息

转子不对中是汽轮发电机组轴系在启机和运行中典型故障之一,联轴器不对中和轴承不对中是不对中的两种形式。为了确保机组的安全稳定运行,本文以汽轮发电机组轴系为对象,研究了转子不对中的振动特性和诊断方法。本文对目前机组普遍使用的的齿式联轴器和刚性联轴器联接的轴承—转子系统在不对中状况下的振动机理进行了研究,分析了相应的振动特性。研究了不对中转子的运动规律,建立了转子不对中的数学模型,推导了不对中转子的动力学方程。从而得出了故障的典型特征。对大量的现场汽轮发电机组转子不对中案例进行了分析,将转子不对中按照故障形式、产生原因、发生部位进行了分类分析。进一步分析了故障发生时对机组安全性、经济性和可靠性的影响。采用FTA研究方法对故障产生的原因和对应的处理措施进行了详细的论述,得出了每种不对中形式的FTA故障原因查找流程图。利用故障典型的监测参数、故障特征、产生原因等相结合的方法对联轴器不对中和轴承不对中进行了故障诊断的研究,制定了诊断方法和流程。最后利用该诊断方法对现场振动事故进行了诊断,得出了准确的结果,并给出了相应的处理措施和指导意见。该方法对于汽轮发电机组转子不对中的诊断和处理具有重要的指导意义。

关键词：汽轮发电机组联轴器不对中轴承不对中故障征兆故障诊断

航空发动机双转子系统不对中振动响应特性研究

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航空发动机双转子系统不对中振动响应特性研究

作者：陈雨蒙湖南科技大学

学位级别：硕士

不对中是旋转机械的典型故障形式,包括联轴器不对中和轴承不对中,不对中的存在会引起转子系统振动过大、轴承磨损、轴的大挠曲变形、转子与定子间碰摩等再生故障,影响系统稳定性,甚至造成灾难性事故。相对于普通转子机械,航空发动机转... 详细信息

不对中是旋转机械的典型故障形式,包括联轴器不对中和轴承不对中,不对中的存在会引起转子系统振动过大、轴承磨损、轴的大挠曲变形、转子与定子间碰摩等再生故障,影响系统稳定性,甚至造成灾难性事故。相对于普通转子机械,航空发动机转子系统由于支点跨度大、转速高、结构热变形大等因素,不对中的存在对整个系统影响更大。航空发动机双转子不对中振动特性分析日益引起工程界及学术界的重视。现代航空发动机普遍采用内外双转子系统,对于内外双转子系统,由于采用中介轴承的支承方式,当内转子出现不对中严重时,同时在不平衡激振力的作用下,内、外转子的径向振动将显著增大,外转子出现不中时,情况亦然。论文以某型航空发动机双转子系统为对象,研究其联轴器不对中和轴承不对中形式下的转子系统的振动特性。论文的研究工作可为高可靠性航空发动机的设计及运行维护提供一定参考依据。论文主要研究工作如下:(1)双转子系统有限元模型建立及动态特性研究。以某型航空发动机为研究对象,运用转子动力学和有限元相关理论,建立同型支承结构的双转子系统有限元模型,通过模态分析,求解该双转子系统的前三阶临界转速、阵型及应变能分布,为后续振动分析提供基础。(2)内外双转子系统联轴器不对中振动响应研究。通过联轴器不对中产生的附加弯矩来模拟联轴器不对中故障,建立联轴器不对中动力学有限元模型。分析了联轴器不对中量对转子系统振动响应的影响规律。结果表明:一倍频对联轴器不对中故障不敏感,二倍频幅值随联轴器不对中量的增加而增加,且距离联轴器越近的支撑位置的不对中响应越敏感;轴心轨迹随联轴器不对中量的增加而相应变化;内转子不对中振动特性可通过中介轴承传递到外转子,外转子振动响应同样蕴含了内转子联轴器不对中信息。(3)内外双转子系统轴承不对中振动响应研究。通过轴承不对中产生的附加弯矩,来模拟双转子支撑轴承不对中故障,建立双转子支撑轴承不对中动力学有限元模型。分析了双转子支撑轴承不对中量对于转子系统振动响应的影响规律。结果表明:一倍频对轴承不对中故障不敏感,二倍频幅值随轴承不对中量的增加而增加;轴心轨迹随轴承不对中量的增加而相应变化;内外转子均可监测到不对中振动,且内转子振动更为剧烈;转子系统在1/2倍一阶临界转速时发生二倍频共振。(4)双转子系统不对中振动响应实验分析,搭建了轴承不对中振动测试实验平台,通过实验验证双转子系统支撑轴承不对中对转子系统振动的影响规律。

关键词：内外双转子系统有限元模型联轴器不对中支撑轴承对中振动特性

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齿轮耦合的压缩机转子系统动力学特性研究

齿轮耦合的压缩机转子系统动力学特性研究

作者：孙健东北大学

学位级别：硕士

在含有齿轮传动的高速转子系统中,进行转子系统的动力学分析时应该充分的考虑到齿轮的啮合作用。齿轮间的径向力、切向力会同时引起转子系统的弯曲振动及扭转振动,即而引起转子系统的弯扭耦合振动。此外,转子系统因可能包含多个齿轮啮... 详细信息

在含有齿轮传动的高速转子系统中,进行转子系统的动力学分析时应该充分的考虑到齿轮的啮合作用。齿轮间的径向力、切向力会同时引起转子系统的弯曲振动及扭转振动,即而引起转子系统的弯扭耦合振动。此外,转子系统因可能包含多个齿轮啮合单元,而各单元的齿轮形式不一,且因为各传递轴转速和转向也不尽相同,使得带有齿轮啮合的转子系统的耦合振动问题变得更加复杂。本文主要研究的是含齿轮压缩机转子系统的振动特性问题,即运用转子动力学理论和有限元理论,分别研究了压缩机子转子系统、整机转子系统在不同情况下的振动特性。本文的工作主要包括以下几个方面：(1)介绍了转子系统动力学的基本理论及本文所用到ANSYS相关单元,在对现有文献整理总结的基础上,推导了直齿轮及几种斜齿轮啮合刚度矩阵的具体表达形式。(2)建立了齿轮增速机的动力学分析模型,考虑在不同啮合刚度矩阵下系统固有特性的差别,并分析螺旋角及轮齿啮合刚度的变化对齿轮转子系统固有特性、稳定性及振动响应的影响。(3)通过对技术图纸的简化,建立了H518齿轮压缩机整机转子系统的有限元分析模型。并分别对高压端转子系统、低压端转子系统及整机转子系统的弯曲、扭转及弯扭耦合振动分别进行分析,研究因齿轮的啮合作用导致的系统固有特性的变化。(4)对系统进行稳定性分析,并根据API标准进行加载,进行不平衡响应分析,得到系统在不同加载方式下的振动响应情况。(5)推导了转子系统联轴器偏角不对中及平行不对中故障的动力学模型,介绍了两种不对中故障不对中力的计算方法,对不同程度不对中故障下转子系统的振动响应进行了仿真分析。最后得出因齿轮的耦合作用,含齿轮啮合的转子系统与单轴分析相比,会产生新的频率成分,振型也会发生变化。通过共振区、稳定性及响应分析确定H518压缩机组的工作安全。具有不对中故障的转子系统的振动频谱中会出现工频和二倍频成分,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内外八字形。

关键词：转子系统齿轮耦合联轴器不对中振动特性

航空发动机不对中双转子系统非线性动力学分析

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航空发动机不对中双转子系统非线性动力学分析

作者：刘博阳沈阳工业大学

学位级别：硕士

联轴器作为旋转系统中重要的核心零部件,广泛应用于航空航海、国防军工和石油化工等多个领域。其主要作用是在对拖轴系中传递转动和扭矩,有效补偿相对偏角或平行度偏差,同时可有效减小轴系振动,对转子起到保护作用。现役的航空发动机中... 详细信息

联轴器作为旋转系统中重要的核心零部件,广泛应用于航空航海、国防军工和石油化工等多个领域。其主要作用是在对拖轴系中传递转动和扭矩,有效补偿相对偏角或平行度偏差,同时可有效减小轴系振动,对转子起到保护作用。现役的航空发动机中通常采用联轴器连接低压压气机端与涡轮转子轴端。联轴器不对中故障往往诱发航空发动机出现二次故障,造成振动超标、空中停车,严重的甚至可能会导致发动机整机损毁,飞机坠机等灾难性事故。本文以某真实的航空发动机双转子系统为研究对象,首先阐述了发动机用联轴器偏角不对中和平行不对中的运动机理,基于Lagrange方程建立了简单双转子系统的动力学模型,在此基础上组建了考虑不对中故障的双转子动力学分析模型;其次基于某真实的航空发动机双转子结构,借助有限元软件建立了复杂结构发动机双转子系统的高保真度高维度的实体有限元模型,进行了模态分析和临界转速分析。在该高维模型基础上,开展了基于自由界面模态综合法的降维研究,利用二次开发语言和C#语言编译了模型降维子程序,获得了高精度和极低维度的降维模型;最后联合降维模型和不对中故障模型,构建了不对中故障-航空发动机复杂转子系统的非线性动力学模型。基于Newmark-β数值积分方法对该不对中故障-航发复杂双转子模型进行了瞬态响应分析,研究了转速、联轴器平行不对中和角度不对中等多种参数下,系统响应的动力学性态及其演化规律,获得了具有一定价值的研究成果。研究结果表明,联轴器平行不对中与偏角不对中对转子系统响应的动力学性态均有不同程度的影响,出现显著的2倍频振动分量,并且伴随转速升高,系统振动越剧烈,2倍频振动分量增幅也越显著;转速不变时,改变联轴器不对中量可以发现,随着联轴器不对中量的增加,系统振动幅值越高,系统振动越剧烈,2倍频振动分量占比越大。本文对研究一类包含不对中故障的复杂结构双转子系统高精度动力学建模,和转子系统故障机理分析具有一定的借鉴和指导作用。

关键词：双转子系统中介轴承联轴器不对中自由界面模态综合法

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航空发动机双转子系统不对中研究进展

航空学报 2019年第6期40卷 42-53页

作者：张宏献李学军蒋玲莉杨大炼陈雨蒙湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湘潭411201 广西科技大学鹿山学院柳州545006

转子不对中是旋转机械最常见的故障之一。不对中常引起整机振动加剧、轴承磨损、转静子碰摩等故障,严重时将造成灾难性事故。航空发动机转子系统由于结构复杂、工作温差大、多支点弹性支承,更容易造成滚动轴承支承不对中、联轴器不对中... 详细信息

转子不对中是旋转机械最常见的故障之一。不对中常引起整机振动加剧、轴承磨损、转静子碰摩等故障,严重时将造成灾难性事故。航空发动机转子系统由于结构复杂、工作温差大、多支点弹性支承,更容易造成滚动轴承支承不对中、联轴器不对中、动态不对中等不对中故障。虽然航空发动机不对中问题严重,但这方面的研究却相对缺乏。本文针对航空发动机转子系统的结构特点,首先论述了滚动轴承不对中、联轴器不对中、航空发动机转子不对中3种不对中故障的研究现状;其次,讨论了不对中转子系统非线性动力学特性及不对中故障定量分析方面的研究成果。最后,对航空发动机双转子系统不对中研究的发展趋势进行了展望。

关键词：轴承不对中联轴器不对中双转子不对中定量分析航空发动机转子系统转子动力学