【摘要】：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障是制約旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能發(fā)揮的重要因素。在高轉(zhuǎn)速、大功率及運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等工況下,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)極易出現(xiàn)不平衡、不對中等故障,若不及時診斷,將會引發(fā)碰摩、基礎(chǔ)松動等二次故障,加快設(shè)備失效。是以旋轉(zhuǎn)機(jī)械若發(fā)生故障,常常以多故障形式出現(xiàn)。在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中,不平衡、不對中和碰摩是最常見三種故障。本文以此三種故障為研究對象,建立多故障下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型;結(jié)合仿真與實驗兩方面對多故障下轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)特征進(jìn)行了探究,為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷提供了一定參考依據(jù)。另外旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為一個復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng),整機(jī)振動是反應(yīng)其工作性能的重要指標(biāo);本文對課題組葉片轉(zhuǎn)子實驗臺進(jìn)行整機(jī)振動監(jiān)測實驗,結(jié)合故障特征有關(guān)理論與機(jī)匣模態(tài)實驗對其工作狀態(tài)進(jìn)行有效探究。綜合全文展開工作如下:(1)以課題組葉片轉(zhuǎn)子實驗臺為對象,考慮基礎(chǔ)、機(jī)匣等部件振動,運(yùn)用集中質(zhì)量法和拉格朗日原理建立含不平衡-不對中-碰摩多故障轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型。采用Runge-Kutaa算法求解系統(tǒng)振動響應(yīng),通過時域、頻域和階次瀑布圖分析不平衡量、不對中量變化對多故障下轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)特征的影響。在不平衡-不對中故障模式中,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在臨界轉(zhuǎn)速一半時存在二倍頻共振現(xiàn)象;增加不對中量主要增加系統(tǒng)二倍頻分量,其軸心軌跡亦由橢圓向雙環(huán)橢圓變化。在碰摩故障中,系統(tǒng)頻域中存在高次諧波和分次諧波等分量。對兼有不平衡和碰摩故障轉(zhuǎn)子,增加不平衡量會造成碰摩轉(zhuǎn)速區(qū)間擴(kuò)大、碰摩程度加劇。兼有不平衡、不對中和碰摩多故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng),增大不平衡量和不對中量會加劇系統(tǒng)碰摩程度;在分次諧波存在轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),三倍頻分量有下降趨勢。(2)基于CUT-2轉(zhuǎn)子實驗臺進(jìn)行了不平衡-不對中、不平衡-碰摩及不平衡-不對中-碰摩等多故障模擬實驗。實驗觀察到在含不平衡和不對中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中,增大不對中量其對應(yīng)方向上二倍頻分量增幅較大,一倍頻分量有變化;不對中較大時其軸心軌跡為雙環(huán)橢圓;在臨界轉(zhuǎn)速一半時二倍頻出現(xiàn)共振。在含有碰摩故障實驗中,系統(tǒng)發(fā)生碰摩時,存在高次諧波分量;增大不平衡量或不對中量均會加劇轉(zhuǎn)子碰摩程度。實驗結(jié)果定性地驗證了部分仿真結(jié)果的正確性,說明仿真動力學(xué)模型的有效性。(3)對運(yùn)行狀態(tài)下葉片轉(zhuǎn)子實驗臺進(jìn)行整機(jī)振動監(jiān)測實驗,采集轉(zhuǎn)軸、軸承座、基礎(chǔ)和機(jī)匣等部位振動數(shù)據(jù)。結(jié)合時域、頻譜及瀑布圖對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)電機(jī)端轉(zhuǎn)子振動位移信號中存在軸承外圈故障特征頻率及高次諧波,初步判斷此端軸承存在碰摩。對機(jī)匣筒殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)實驗,得出其模態(tài)振型與頻率;對運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)匣振動數(shù)據(jù)采用階次分析得出其固有頻率,對比模態(tài)實驗結(jié)果有多階頻率保持一致。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH133
【圖文】：

第三章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡-不對中-碰摩多故障數(shù)值仿真在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡、不對中和碰摩故障機(jī)理及力學(xué)模型有充分認(rèn)知基礎(chǔ)上，文章采用集中質(zhì)量法對課題組葉片轉(zhuǎn)子實驗臺進(jìn)行簡化，考慮軸承座、機(jī)匣及基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)部件振動；建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多故障力學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值積分方法求解振動響應(yīng)以研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多故障下振動規(guī)律及特征。3.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障動力學(xué)模型如圖 3.1，為實驗室葉片轉(zhuǎn)子實驗臺。該實驗臺主要包括葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、聯(lián)軸器、三相電機(jī)、軸承座、機(jī)匣及基座等部分。其中葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為工作機(jī)構(gòu)，軸上偏置安裝有葉盤，兩端采用7209C 角接觸滾動軸承支承。其右側(cè)采用聯(lián)軸器與三相電機(jī)進(jìn)行聯(lián)接，同時軸承座通過螺栓連接到基座上；電機(jī)與機(jī)匣均安裝于基座上。在工程實踐中，旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免存在不平衡量；軸系之間采用聯(lián)軸器聯(lián)接，由于安裝或基礎(chǔ)沉降等造成不對中；葉輪葉片與機(jī)匣之間存在碰摩風(fēng)險；該轉(zhuǎn)子試驗臺為壓氣機(jī)模型；其結(jié)構(gòu)具有普遍意義，能夠?qū)ι鲜鋈N故障進(jìn)行有效模擬仿真。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡-不對中-碰摩多故障數(shù)值仿真與實驗研究(10)碰摩力參數(shù)碰摩剛度58.8 10rk N/m， 0.15， 0.24mm3.4.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)校驗為進(jìn)一步驗證文章 3.4.1 節(jié)仿真參數(shù)合理性，針對葉片轉(zhuǎn)子實驗臺采集相關(guān)振動數(shù)據(jù)，具體實驗方案等詳見 5.1 節(jié)。如圖 3.4 為轉(zhuǎn)速為 1302RPM 時，右端軸承處轉(zhuǎn)軸在水平和豎直方向振動位移時域圖。CH0 為轉(zhuǎn)速脈沖信號，CH1 代表水平振動位移，CH2 為豎直振動位移。如圖可見，兩方向振動位移時域波形大體為正弦波，頻率與轉(zhuǎn)頻同步，同時混有少量高頻分量。

r3.4.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)校驗為進(jìn)一步驗證文章 3.4.1 節(jié)仿真參數(shù)合理性，針對葉片轉(zhuǎn)子實驗臺采集相關(guān)振動數(shù)據(jù)，具體實驗方案等詳見 5.1 節(jié)。如圖 3.4 為轉(zhuǎn)速為 1302RPM 時，右端軸承處轉(zhuǎn)軸在水平和豎直方向振動位移時域圖。CH0 為轉(zhuǎn)速脈沖信號，CH1 代表水平振動位移，CH2 為豎直振動位移。如圖可見，兩方向振動位移時域波形大體為正弦波，頻率與轉(zhuǎn)頻同步，同時混有少量高頻分量。圖 3.4 右端軸承實測振動位移時域圖對圖 3.4 中 CH1、CH2 信號運(yùn)用階次分析方法，得轉(zhuǎn)速 1302RPM 振動階次譜圖，如圖 3.5。水平和豎直方向振動位移信號以基頻分量為主，雜以少量 2 倍頻、3 倍頻等高次諧波分量。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2775588