转子碰摩故障动力学仿真及实验验证
卢子乾,魏永合,矫晶晶
【摘 要】 为研究碰摩力及油膜力对转子碰摩系统的影响,建立在油膜力作用下的单跨双盘碰摩转子动力学模型及其运动微分方程,应用数值分析方法研究系统在参数变化下的动力学响应及混沌运动的激变特性。设计相关实验,对故障信号数据进行采集,通过仿真结果与实验结果的对比,交叉验证了模型建立的可靠性和数值分析结果的准确性。经实验研究,碰摩力及油膜力对转子系统发生故障起着极其重要的作用,建立的动力学模型为转子系统故障诊断和优化设计提供了理论依据。
【期刊名称】沈阳理工大学学报 【年(卷),期】2018(037)004 【总页数】6
【关键词】关 键 词： 转子碰摩;动力学模型;实验研究 基金项目： 辽宁省科技工业公关项目(2013220022)
转子系统碰摩作为机械故障的主要原因之一,决定着设备的使用期限及寿命。转子系统的运行是一类非常复杂的动力学行为,碰摩过程也是一种非光滑、非线性问题。引发转子系统碰摩故障的原因很多,如不对中、不平衡、松动、裂纹、间隙过小、温度变化和流体导致的自激振动等。因此,描述转子系统特征的系统模型和描述碰摩过程的动力学模型也将不同。合理地建立碰摩转子系统的动力学模型,在此基础上采用数值仿真的分析方法,研究转子系统在碰摩发生时的振动特性及分岔等现象,能够揭示转子系统的运动规律,改善系统的动力学特性,为设备安全、稳定运行提供技术保障,为转子系统故障诊断和优化设计提供理论依据。
近些年来,国内外许多学者将研究重点置于 非线性转子故障领域,研究并发现了在不同故障转子系统中存在的分岔和混沌运动特性[1-2]。侯兰兰等对一类转子系统进行了非线性动力学分析,研究了偏心量取中等值时系统运行状态最丰富,刚度增大会使分岔复杂化,阻尼增大会抑制分岔过程[3]。目前转子系统中有关单盘转子方面的研究已很完善,但对于双盘转子的研究还存在缺陷,尤其是有关油膜力支撑下的双盘转子方面还有待于研究。
在研究非线性转子系统过程中,实验分析方法起着至关重要的作用[4]。实验研究方法不仅可以验证数值结论的一致性和理论模型分析结果的准确性,还能为进一步求解非线性问题提供依据和思路。袁惠群等通过对碰摩转子系统进行数值仿真和实验对比,论证了新模型的正确性,分析了系统的非线性特性以及速度影响系数对系统响应的影响[5-6]。王正浩等将数值仿真与实验验证相结合,研究了考虑轴承和隔振垫弹性的非对称支撑转子系统的非线性动力学响应特性[7]。 本文通过搭建与仿真同等条件下的实验转子实验台,进行相关转子-轴承系统的故障实验研究,收集实验数据,并对数据进行处理分析,用实验结果验证理论仿真结果,以获得碰摩故障的具体影响因素,证明模型建立的准确性,为转子-轴承系统的设计修正和故障识别提供参考依据。
1 双盘转子系统动力学研究
1.1 模型的建立
建立单跨双盘转子系统模型,如图1所示。
轴承左侧采用滑动支撑,右侧采用油膜力作用下的轴承支撑;两圆盘安装在一根无质量弹性轴上,分布在B点和C点处;为研究非线性油膜力的作用,将系统部分质量集中到轴瓦轴颈处,即各轴段质量等效分布在两圆盘中心和两端轴承中心,忽略
轴系扭振和系统所受的陀螺力矩,只研究系统的横向振动。轴承两侧集中质量分别为m1、m4,左端圆盘质量为m2,右端圆盘质量为m3,c1为转子在轴承处的阻尼值,c2为左圆盘的阻尼值,c3为右圆盘的阻尼值,轴承宽度为L,转轴横截面半径为R。
1.2 碰摩力的选择
转子的碰摩力模型如图2所示,PN和PT分别为碰摩中沿直径方向和切线方向所受的力,φ为转子的位置角。 摩擦力满足库仑定律,可表示为 PN=(e-δ)kc PT=f×PN (e≥δ) (1)
式中:为转子的径向位移;f为摩擦系数;δ为转子和定子的间隙;kc为定子刚度。碰摩力为 (2)
将式(2)进行转化可得 1.3 非线性油膜力的选择
理论分析中采用经典的Capone圆轴承理论[8],该模型精度较高,短-圆轴承模型油膜力表达式为 (3)
式中:和分别为滑动轴承处x与y方向上的无量纲油膜力;σ为修正的Sommerfeld常数,表达为
式中:x、y分别为轴承处的位移;ω为系统转速;μ为润滑油粘度;p为圆盘转子质量的一半;α为油膜的起始动态边界角;V为速度对油膜力的影响参数;W为重力
转子碰摩故障动力学仿真及实验验证
