故障转子弯曲及其弯-扭耦合振动特性的研究

摘要

现代生产中,旋转机械日益高速化、重载化、自动化以及功能多样化,转子系统作为旋转机械的关键部件,时常会出现许多问题。运行环境的恶劣以及设备安装过程中存在的误差都将激发起各种复杂非线性因素作用,引发旋转机械激烈的振动。比如,因运动部件与静止部件发生碰摩故障而产生的振动。碰摩故障通常为其它故障的间接结果。振动原因可能是由转子质量不平衡、轴系失稳、机组中心不对中或者热膨胀等引起。系统一旦发生碰摩,转子零部件很可能会由于扭转疲劳或者其他过多的弯曲运动引起破坏。轻则影响工作效率,重则机毁人亡。而不平衡故障常常潜伏在机组中,其极易引发恶性的振动事故。这些事故所造成的人员伤亡、社会危害和经济损失都是不可估量的。
　　较为复杂的机组振动特性研究是不适宜采用简单的模型。因此,应用现代数值分析理论和转子动力学理论来研究复合故障的转子系统建模、求解以及弯-扭耦合振动特性,已成为当今国内外的热门研究课题之一。
　　本文通过对单故障和复合故障的转子系统弯-扭耦合振动特性逐步进行了研究,并建立了4个转子系统模型。第一步,考虑滚动轴承的滚动体与内外圈之间的非线性赫兹接触力,建立了一个基于滚动轴承支承的质量不平衡转子动力学模型;第二步,针对两端刚性支承的单圆盘转子,建立了碰摩转子模型;第三步,将不平衡转子系统置于两种工况下,即一种在外激励力作用下,另一种在外激励扭矩作用下,分别建立相应的转子系统弯-扭耦合振动模型;第四步,建立了一个不平衡故障和碰摩故障复合作用下的转子系统有限元模型。
　　对于这4个模型,本文采用了两种数值分析法来求解系统的响应,他们分别是四阶龙格库塔法和纽马克-b法。利用位移图(振动波形图)、瞬时频率图、包络图、载波图、相图、轴心轨迹图、庞加莱映射图分析了各个转子系统在特定参数下的运动特征,通过上面的相关图形分析了转子系统随若干参数(转速、转子质量、轴承等效质量、偏心距、转轴等效刚度等)变化时系统的响应,以及耦合故障下的振动特性。为不同工况下的故障诊断奠定了一定的理论基础。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与选题依据

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3主要研究内容、技术路线及创新之处

第二章 转子-轴承系统的振动分析

2.1系统振动模型

2.2 运动方程

2.3 系统仿真分析

2.4 本章小结

第三章 碰摩转子系统弯-扭耦合振动分析

3.1 前言

3.2 转子动力学中若干问题的研究方法

3.3 龙格-库塔法

3.4 碰摩转子系统运动方程的建立

3.5 计算结果及分析

3.6 本章小结

第四章 外激励下不平衡转子系统弯-扭耦合振动分析

4.1 系统模型

4.2 系统运动方程

4.3 动静不平衡以及重力的影响

4.4 外激励力和外激励力矩

4.5 系统振动特性的仿真分析

4.6 本章小结

第五章 不平衡-动静碰摩的转子系统弯-扭耦合振动分析

5.1 短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform, STFT）

5.2 有限元模型和运动方程

5.3 耦合振动分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果

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