双盘转子—电磁轴承系统的碰摩振动特性

转子系统的非线性振动是工程实际中的复杂问题,尤其转子系统碰摩振动的强非线性动力学特性,诱发倍周期分岔、hopf分岔及混沌等复杂现象。建立一类考虑碰摩故障的主动电磁轴承支撑双盘转子系统的力学模型,基于非线性动力学和转子动力学理论,采用多目标协同、多参数耦合仿真分析,运用变步长4阶Runge-Kutta法数值计算,通过获得的转子系统周期分岔图、碰摩分岔图、轴心轨迹图、Poincaré映射图、最大碰摩力及碰摩占空比曲线图,揭示了转子系统的非线性动态响应。同时研究复杂转子系统的碰摩振动特性与结构参数的关联关系。计算结果表明,系统的间隙阈值越小且转速越低条件下的周期碰摩振动越具复杂性和多样性,且系统因碰摩故障引发的最大碰摩力及碰摩占空比曲线峰值也较高。系统的定子刚度比越大,其表现出的各类周期碰摩振动的振动幅值和冲击速度越高;最大碰摩力越大。系统的偏心比值越大,系统的周期碰摩振动模式类型越多样化且混沌窗口越多;系统的各类周期碰摩振动产生的最大碰摩力和碰摩占空比也越高。同时,进一步分析了基本周期振动、亚谐振动、概周期振动和混沌的发生区域及转迁规律。研究结果可以有效地为该类转子系统动态匹配设计、大数据诊断与协同优化提供实际指导意义。

轴流式水轮发电机组不对中-碰摩耦合故障振动特性分析

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LuGre摩擦模型,该研究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。该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。

基于MRD优化布置的水轮发电机组碰摩系统振动抑制

针对水轮发电机组转子-转轮系统碰摩故障问题,采用磁流变液阻尼器(magneto-rheological damper,MRD)对轴系振动进行抑制,旨在探究MRD对机组轴系振动的影响规律及其对系统碰摩故障的抑制效果。首先,将机组轴向位置函数引入MRD非线性动力学模型,推导了碰摩故障下含轴向分布参数的MRD-转子-转轮系统动力学方程。其次,基于数值模拟方法,以机组转速为控制参数对比分析了是否考虑MRD的转子-转轮系统非线性动力学行为。最后,研究了不同MRD轴向布置参数对碰摩转子-转轮系统动力学行为的影响。研究结果表明:MRD的加入对转子、转轮非稳态运动具有良好约束作用,能够显著减小转子、转轮振动幅值,有效避免了机组轴系碰摩故障的发生;当阻尼器位置参数s_(1)、s_(2)分别取0.25与0.95时,MRD对系统的减振效果最佳。通过在机组轴系合理布置MRD,可有效改善系统振动情况,从而为水轮发电机组振动控制提供有益指导。

基于Hertz接触理论的转子碰摩模型

对转子系统转、定子碰摩故障的过程进行了研究 ,建立了一个基于Hertz接触理论的转子非线性碰摩模型。通过对不同碰摩模型进行理论分析及数值仿真的对比研究表明 :基于Hertz接触理论的非线性碰摩模型能更深刻地反映转、定子碰摩过程的本质特征 。

碰摩信号的小波表示及其相空间特征研究

对转子动静碰摩信号的相空间特征进行了分析和检测 ,分别用连续小波变换、多尺度分解、小波包和能量 尺度对比方法对动静碰摩振动响应的径向分量进行了研究 ,且在相空间得到了一些故障特征 .用连续小波变换分析碰摩信号时 ,与碰摩点相对应的小波系数分布在较小的尺度上 ,且随着尺度的减小 ,小波系数模极大值线逐渐收敛于碰摩点处 ;用多尺度分解方法得到的第 1级和第2级的细节信号中反映了碰摩点的特征 ,表现为局部极值点 ;用时间 尺度能量对比方法分析 ,这些特征表现得更为明显 .这些特征都有助于故障的准确诊断 .

能量轨道下带碰摩的双转子系统振动特性分析

为提高航空发动机的推重比和燃油效率,调整转子与机壳间的间隙变小,易发生碰摩故障问题,本文针对带碰摩双转子系统的非线性振动特性开展了定性、定量分析。建立了具有非线性弹簧特性和带碰摩故障双转子系统的非线性数学模型,通过仿真与数值分析调查了该模型复杂的碰撞、振动特性。对碰摩故障发生后和即将脱离时该系统的能量交换进行了定量分析,基于振动能量轨道的迁移过程分析了非线性振动特征和诱发机理。使用转子实验验证了数值仿真、理论分析结果和振动能量轨道。本文揭示了带碰摩故障的非线性双转子系统运行时振动变化规律,更好地分析了双转子系统的振动特征。

高速篦齿碰摩对封严环裂纹萌生与扩展影响研究

篦齿封严结构碰摩是航空发动机空气系统工作中存在的普遍问题,由于实际碰摩中难以观察到封严环上裂纹萌生与扩展的过程,采用有限元方法进行数值仿真能够对裂纹萌生与扩展过程和机理有更加深入的认识。建立碰摩后带磨损槽的封严环模型,考虑了封严环表面对流换热、碰摩力和碰摩温度,采用扩展有限元法(XFEM)对封严环碰摩温度场、应力场以及裂纹的萌生与扩展进行数值研究,并将仿真分析结果与碰摩试验裂纹结果进行对比。结果表明:数值仿真所得到的裂纹萌生位置及扩展方向均与碰摩试验中实际产生的裂纹基本一致,揭示了裂纹产生的机理,证明了该模型能够较好地模拟碰摩所导致的裂纹萌生与扩展过程。

空载湿式离合器临界碰摩转速影响机理分析

定义空载湿式离合器摩擦片/钢片的周期无量纲轴向位移范围λ,根据其值确定湿式离合器的临界碰摩转速。通过分析润滑油温度、供油流量、摩擦副间隙与特征量λ变化趋势的关系,得到工况参数对湿式离合器临界碰摩转速的影响规律。从力学角度出发,分析流场刚度和阻尼的变化规律,探寻摩擦片/钢片三自由度运动的影响因素,在此基础上提出流场临界刚度和临界阻尼的概念,揭示湿式离合器工况参数对其临界碰摩转速的影响机理,并进行了试验验证。研究结果表明:润滑油温度升高或摩擦副间隙增大会导致流场中的交叉刚度系数和交叉阻尼系数变大,湿式离合器的临界碰摩转速降低;供油流量增大会导致流场中的交叉刚度系数和交叉阻尼系数减小,湿式离合器的临界碰摩转速升高。

转子-机匣耦合系统碰摩非线性特征研究

转子-机匣碰摩问题是航空发动机中最常见故障之一。在临界转速附近,转子振动幅值会急剧增大,超过转子-机匣初始间隙就会引起碰摩。为了进一步探究碰摩机理,建立了考虑阻尼的非线性碰摩力模型并将其耦合在转子-机匣系统模型中,采用四阶Runge-Kutta法求解,给出了不同转速下转子-机匣系统的响应分岔图,研究了转子-机匣系统的振动响应。同时,分别讨论了碰撞恢复系数、碰摩间隙对转子运动和碰摩力的影响。结果表明:碰撞恢复系数减小会导致转子-机匣嵌入深度增大,从而导致碰摩力增大。碰摩间隙会改变碰摩的频率,且随着间隙的减小,碰摩的频率增大。

轴承不对中-碰摩耦合故障下双转子系统非线性振动特性分析

为揭示因轴承不对中导致的故障转子系统振动特性,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,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,轴承不对中故障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。相关结论可为转子-轴承系统振动状态识别及稳定性分析提供有益借鉴。

直升机超临界尾传动轴干摩擦阻尼器碰摩响应边界特性分析

为最大化提高直升机功重比,越来越多的直升机设计中应用了超临界尾传动系统,这一系统会导致跨临界振动的产生。安装干摩擦阻尼器是一种常见的抑制直升机尾传动轴跨临界剧烈振动的方法。以某装有干摩擦阻尼器的尾传动轴为研究对象,建立控制方程,并分析系统在传动轴偏心激励下各类碰摩响应的边界特性。建立传动轴/阻尼器系统的非线性控制方程;依据扫频获得系统典型碰摩响应特征,使用解析法针对无碰摩响应求解碰摩发生边界,并对同频全周碰摩响应求解其稳定性条件的边界;通过Runge-Kutta法验证了所推导的响应边界,并探讨了响应边界与系统参数的影响关系。

盘轴松动⁃碰摩耦合故障转子系统振动特性研究

转子系统在运转过程中可能会发生零件掉落、松动等情况,导致外加物体与转轴发生碰摩。针对这个问题,考虑盘轴松动与碰摩同时发生的情况,建立具有耦合故障的转子系统有限元模型。利用有限元软件对系统进行仿真,分析盘轴间的松动程度对系统振动特性的影响,并通过试验进行验证。结果表明,转子系统的时域波形周期性变化,频谱以转轴转动频率成分为主。随着盘轴松动程度的加剧,频谱中逐渐出现了高频成分;盘轴转速差在启动阶段的初始值随着松动程度的加剧而逐渐增大;盘心轨迹垂直方向的振动幅值也随着松动程度的加剧逐渐变大,且轨迹形状变得更为复杂。由于碰摩的影响,垂直方向的振动明显受到抑制,其幅值小于水平方向的。研究结果对转子系统耦合故障的动力学特性研究具有非常重要的参考价值。

基于叶尖间隙时频特征融合的转子碰摩诊断方法

以航空发动机与船舰燃气轮机为代表的高端透平机械在高效率,大机动飞行等工况要求下,内部结构趋于紧凑化和复杂化,使得内部转静子发生碰摩的概率也随之增加,由于其内部少测点、难监测,往往难以及时准确地发现碰摩故障。提出了一种叶尖间隙时频特征融合的转子碰摩故障诊断方法,首先通过叶尖振动-间隙复合传感器获取叶尖间隙(blade tip clearance,BTC)序列,然后通过机器学习算法评估BTC序列的异常性;若有异常警报,则对异常信号进行傅里叶分解并汇总各分量的时频能量谱;最后通过时频能量谱中的碰摩带判断故障的发生。试验结果表明,在对转子施加短时、持续碰摩两种工况后,机器学习模型能够实时诊断,且报警后所提方法能完整分辨出两种碰摩的发生,以及持续碰摩缓慢施加、快速结束的过程。通过与转子振动信号进行对比,表明该方法可通过机匣测点获取叶尖间隙并感知转子碰摩故障,实现了“一传多感”,为透平机械的状态监测和健康管理提供了新的方法。

聚焦于碰摩诱导的非规则形貌套管磨损分析

由于钻磨铣作业管柱刚度低且受力情况复杂,发生涡动时不可避免会碰摩套管,诱导套管产生不连续、随机的磨损,降低井筒安全性。为研究碰摩磨损对套管安全性的影响规律,基于转子动力学理论建立了钻磨铣作业钻柱有限元动力学模型,得到钻柱涡动轨迹及钻柱涡动诱发的套管碰摩特征;同时建立了碰摩磨损体积计算模型,考察转速、钻压对碰摩诱导的套管磨损的影响规律;将碰摩磨损缺陷引入套管模型,采用应力集中比值分析碰摩磨损缺陷对套管承载性能的影响规律。研究结果表明:钻磨铣作业期间钻柱对套管的碰摩主要发生在下部钻具组合处,表现为不连续性碰摩和连续性碰摩2种形式;转速、钻压与碰摩磨损程度呈正相关关系;碰摩磨损缺陷的偏磨率、开口大小及数量会对套管承载性能产生不同的影响。研究结果可为由碰摩诱导产生的套管磨损分析及井筒完整性评价提供理论依据。

基于轻量级卷积神经网络的转子碰摩故障诊断

随着非平稳信号的时频故障特征表示技术的优势以及卷积神经网络(CNN)的出现,转子碰摩故障诊断已经达到了高精度。然而,基于CNN的故障诊断方法有许多缺点,提出了一种基于轻量级卷积神经网络(GHSQNet)与时频图相结合的转子碰摩故障诊断方法。该方法能够在保证故障诊断精度的同时占用更小的内存。实验结果表明,与其他轻量级卷积神经网络相比,提出的模型性能表现更加优越。识别准确率达到了99.39%,而模型大小只有1.07 MB,在移动端有很高的实用价值。

转盘偏心距对不对中-碰摩转子动力学响应的影响

针对含转盘偏心的不对中-碰摩转子系统耦合故障导致的振动问题,建立不对中-碰摩耦合条件下的滑动轴承-转子系统动力学模型,考虑齿式联轴器不对中作用力、滑动轴承油膜力、转盘偏心距和碰摩等一系列强非线性的耦合。基于多参数、多目标协同仿真得到关键参数与系统响应的关联关系,并引入最大碰摩力和电信领域中占空比的概念对转子模型的动力学特性进行量化表征。研究结果表明:不对中的存在导致系统产生了2×、4×等偶数倍频,系统的轴心轨迹呈现出“8”字形,偏心距的变化直接影响了系统的周期运动类型和分布,当偏心距由小变大时,系统的一二阶临界转速显著提高,直接限制了油膜力的响应幅值,但不会影响不对中产生的2×频率幅值。最后得到此模型合理的偏心距取值范围。

旋转叶片-机匣碰摩分析方法与试验技术研究

目的较为深入地认识高速旋转转静子之间碰摩故障及碰摩机理。方法采用冲击动力学分析方法,建立考虑机匣柔性的转子-盘片-机匣碰摩有限元模型,对旋转叶片-机匣碰摩的动力学行为、局部细节特征以及转静子的振动响应进行研究,并将仿真分析结果与碰摩物理试验结果进行对比分析。结果发现其吻合性较好,证明了该仿真分析模型和仿真分析方法能够很好地描述旋转叶片-机匣之间碰摩动力学行为,以及该物理试验的有效性。在此基础上,对影响碰摩响应的不同参数进行深入研究,发现转静子之间间隙、相对运动速度和刚度比对于碰摩响应均有较大影响,得出了一些有效解释和预测碰摩故障现象的原理和规律。结论其研究方法和研究成果可以为旋转机械碰摩故障的诊断和预测提供一定的参考。

一种含特殊限位器的柔性连接转子碰摩响应研究

以一种柔性连接两节式转子-限位器系统为研究对象,利用拉格朗日方法建立考虑陀螺效应的转子系统动力学方程,采用Hooke接触模型及Coulomb碰撞模型,描述变刚度限位器与转子的相互作用,并利用数值方法求解碰摩响应,分析了不同碰摩刚度与摩擦系数下的碰摩行为,引入碰摩稳定域概念,并计算了碰摩稳定域曲线,开展了不同激励强度下的碰摩试验,与理论分析情况进行对比。研究结果表明:转子碰摩响应存在有限次碰摩后恢复稳定、拟周期运动、同步全周碰摩三种典型碰摩行为;摩擦力是导致转子失稳的关键因素,限位器碰摩刚度存在最优区间;限位器碰摩模型可为工程设计提供参考。

转子系统碰摩故障实验研究进展与展望

针对旋转机械出现的转定子碰摩故障,对实验研究进行全面综述。简单介绍模拟单点、局部及整周碰摩所用实验装置,分析三种碰摩形式出现的典型实验现象;局部碰摩故障在工程实际中为主要碰摩形式,据研究对象将其划分为简单转子系统局部碰摩、复杂转子系统局部碰摩、旋转叶片-机匣局部碰摩及实际机组局部碰摩;并对三种碰摩形式典型故障特征进行对比,分析转定子碰摩实验研究发展方向。

冲击作用下燃机转子系统振动特性及碰摩故障分析

以舰船燃气轮机转子—机匣系统为研究对象,采用有限元思想,考虑基础冲击激励对转子部件的作用,建立了冲击激励下燃机多转子系统的动力学模型,进行了冲击激励影响下的转子—机匣碰摩故障的模拟。根据所建模型,分析了各转子以及轴承支撑在冲击载荷作用下的响应,获得了冲击能量沿“基础—支撑结构—机匣—转子系统”的传递规律。该方法可为燃机转子系统设计和运行状态监测提供理论参考。