含裂纹转子系统动力学建模与实验研究

疲劳、材料缺陷等因素会导致转子出现不同程度的裂纹。为分析裂纹对转子系统动态特性的影响,本文建立了裂纹转子系统的刚度矩阵,并通过有限元仿真和ZT-3实验台开展了裂纹角度和转速对裂纹转子系统动态特性研究。结果表明：在不同角度的裂纹对转子动态特性的影响分析中,45°裂纹转子系统较30°裂纹转子系统的振动响应剧烈、范围大、轴心轨迹变形程度大,波形的频率叠加现象更为明显,更多的高倍频和分数倍频被激发;在转速为(2000rpm,4000rpm)范围内,随着转速的增加,系统的时域波形逐渐趋于平稳,频率叠加现象减少,振动范围逐渐扩大,轴心轨迹逐渐变为规则的椭圆形,在3200rpm附近存在着系统的临界转速;通过实验得出的裂纹转子系统动态特性与仿真结果吻合,验证了仿真的正确性。     

多跨故障转子系统动态特性有限元仿真研究

对膜片联接的齿轮传动多跨转子系统进行了故障动态特性仿真研究.利用ANSYS有限元分析软件进行建模、仿真,根据在裂纹和碰摩故障工况下单跨转子与整个转子系统的固有频率在弯扭耦合振动下的变化情况,研究了系统的非线性动态特性和响应,以及膜片联轴器与齿轮对转子系统的影响.研究结果表明,此种情况下发生的故障对故障跨的影响比其余跨大;膜片联轴器和齿轮能够削弱或阻隔弯曲振动及裂纹故障对系统的不利影响,有助于故障诊断的定位与维修,也为产品设计提供参考.     

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。      

裂纹转子振动特性的研究

基于所建立的开闭裂纹转子系统的非线性动力学模型 ,对裂纹转子在不同裂纹深度下的振动特性进行了研究 ,在同时考虑转轴在平行裂纹方向与垂直裂纹方向的刚度随裂纹深度的变化的情况下 ,用数值方法计算了开闭裂纹转子系统在不同裂纹深度时的频谱和幅频图。结果表明 ,随裂纹深度的加深 ,转子的振动特性出现了较大的变化 ,由于裂纹的存在使其显示出特殊的动力学特性 ,为工程上转子裂纹的诊断提供了依据     

裂纹扩展对转子动特性的影响

基于转子安全运行要求,对裂纹扩展过程进行动力学仿真·用非线性开闭裂纹模型,研究裂纹扩展过程中挠性裂纹转子动特性及不平衡量e和裂纹角β两参数在扩展中的影响·研究表明,系统响应具有多种非线性振动形式,有多种途径出入混沌状态·研究为在线监测、分析和诊断裂纹故障提供理论依据     

裂纹转子振动的非线性特性分析

在裂纹转子的非线性特性分析中考虑了裂纹产生对转子两个方向刚度的影响，此为基础在旋转坐标下建立了裂纹转子的非线性动力学模型，裂纹的“开闭”取决于转子振动，不平衡与重力的综合作用，利用数值方法对裂纹转子的拓动响响进行了计算，并根据数值计算的结果分析转子系统振动随不平衡，转速等参数变化的分叉混沌特性，同时，对系统响应描率谱进行计算得出，亚谐波与高次谐波分量可作为识别裂纹的重要特征。     

转子系统常开裂纹故障信息提取方法的研究

针对由于横向常开裂纹引起的裂纹故障转子系统,根据Paris理论,运用由应力强度因子及应变能密度函数推导得到的裂纹柔度系数矩阵,建立了裂纹转子系统动力学模型.由于含有横向裂纹故障的转子系统的刚度矩阵会发生相应变化,因此,在已知柔度系数矩阵的基础上,通过对比无故障转子系统与裂纹转子系统的动力学方程,可以推导出裂纹转子系统的剩余量动力学方程.分析裂纹所在轴段两端的受力情况,结合剩余量动力学方程,从振动信号中提取出常开裂纹发生的位置及裂纹深度信息.结果表明,本文运用的常开裂纹信息提取方法理论上只需要采集两个不同转速下,三个节点的振动信号进行诊断分析,简便可行,并可为转子系统、悬臂梁、桁架结构等常开裂纹故障诊断提供一定的理论依据.     

裂纹转子系统扭转振动时频特性研究

基于简单铰链裂纹模型和局部柔度理论，建立了横向裂纹转子系统扭转振动的动力学模型，得到了裂纹转子扭转振动的数值仿真解，并有了呼吸裂纹转子系统存在着亚谐波共振特性，将小波技术引入到裂纹转子扭转振动时频特性的数值仿真研究中，结果发现裂纹转子的小波时频二维谱存在着6组大系数，小波三维谱表现为6个峰，相应的小波时频等高线表现为6组同心圆，从而表明可以利用裂纹转子扭转振动独特的时频特性作为监测转子系统横向裂纹的依据。     

稳态温度场对转子系统振动特性的影响

热弯曲是工程实际中常见的转子故障.采用有限元法,利用热-结构-动力学耦合理论,探讨了稳态温度场对某汽轮机转子系统的振动特性的影响.对比研究了不平衡响应、热弯曲响应以及不平衡和热弯曲耦合响应,讨论了稳态温度场、转子系统的工作转速等因素对转子-轴承系统热振动特性的影响,找出了影响其热振动特性的敏感参数.结果表明,由于热弯曲的产生,转子系统的刚度重新分布,导致了其热振动的一阶临界转速显著降低,同时改变了振动的平衡位置,使转子系统围绕新的平衡位置做周期性运动.计算结果为转子-轴承系统的设计和热弯曲故障诊断提供了理论依据.     

带有油膜轴承的裂纹轴转子系统故障特征分析

通过大量仿真计算，对于带有油膜轴承的裂纹轴转子系统的故障特征进行了较为全面的论证．这些特征是通过三维频谱、转速-振幅特性和周期分岔特性来表达的．除了分析裂纹轴转子系统的基本故障特征外，还重点分析了作为故障特征的一个重要方面的非线性行为．为诊断转子系统裂纹故障提供了理论依据．     

转子系统局部碰摩故障传递机制特性研究

旋转机械的高速化和高效化使系统转定子间的间隙越来越小,转子振动经常引发局部碰摩故障,进而使整个转子系统响应呈现非线性,影响系统的稳定运行,及时掌握碰摩转子系统的动力学特性为处理故障建立基础.以谐波平衡和有限元理论为基础,建立碰摩转子系统的有限元模型并利用系统振动响应各次谐波分量与频率响应矩阵之间的关系,提出转子系统局部碰摩故障传递机制,即系统某处发生故障后对其他位置产生的影响.通过数值仿真和实验验证了此机制的正确性.具有n个故障的转子系统,仅需要任意n+2个节点的响应就可以得到剩余所有节点的响应.对于不平衡、碰摩、不对中和裂纹等转子系统的常见故障,传递机制具有良好的适用性.     

基于非线性频率分析的主泵故障诊断技术研究

针对非线性系统的故障诊断问题,采用非线性频率特性分析的故障监测方法,对主冷却剂泵转子的开裂纹故障进行定位识别.该方法建立主泵开裂纹故障的数学模型后,使用两个幅值不同正弦信号激励系统,从非线性输出频率响应函数得到主泵振动信号的频率响应,通过计算系统频域的故障特征值,定位出了裂纹故障的位置.使用Matlab和Simulink的仿真工具验证了该方法的有效性,因此该方法可以应用于主泵裂纹故障诊断的研究之中.     

双跨弹性转子系统弯扭摆耦合非线性故障特征分析

建立了非对称弹性支承下,带有基础松动-碰摩耦合故障的双跨转子系统弯扭摆耦合非线性动力学模型.应用数值方法研究双跨转子弯扭摆耦合振动下的动力学特性,利用分岔图、幅频特性曲线图、相图及幅值谱图,分析了摆振对于双跨转子系统的影响,揭示了不同结构参数下该类转子系统的典型非线性特征,为该类转子系统故障诊断提供依据.结果表明:摆振对双跨转子系统的运动影响显著;具有松动故障的转子系统非线性幅频特性曲线呈现不光滑的多个波峰     

车用发电机定子绕组匝间短路故障下转子弯扭耦合振动特性分析

运用数值积分法,在建立发电机转子系统弯扭耦合振动模型基础上,考虑定子绕组匝间短路故障时发电机转子弯曲及扭转电磁刚度的影响,对不同程度匝间短路故障下转子的弯曲及扭转振动特性进行分析。结果表明,发电机定子匝间短路故障不仅会使转子弯曲和扭转振动加强,还会增加转子弯振和扭振中的倍频及高倍频成分;随短路程度加大,弯振的1、3、5等奇数次倍频振动量与扭振的2、4等偶数次倍频振动量逐渐增加,且弯振中1倍频振动量最大,扭振中2倍频振动量变化最为显著。     

分数阶阻尼裂纹转子的非线性动力学特性分析

为了有效地提高转子系统特性的分析精度,使其能够准确地进行故障诊断,以Jeffcott转子模型为基础,建立了带有分数阶阻尼和横向呼吸裂纹故障的转子系统的动力学模型.采用4阶龙格库塔法和10阶连分式欧拉法对转子系统的动力学方程进行数值仿真计算,利用轴心轨迹图、Poin-care截面映射图和分岔图等,研究了阻尼的分数阶次、转速和裂纹深度对裂纹转子动态特性的影响,并通过实验对理论分析结果进行了验证.分析结果表明:在半临界转速附近,由于裂纹的存在,转子的轴心轨迹呈现明显的双环型(或称内8字形),因此响应中的2倍频分量占主导地位.随着分数次阻尼阶次的增加,转子系统依次经历混沌、准周期和周期运动,同时裂纹深度、不平衡量以及转速对转子系统的动态特性具有明显影响.     

在能量空间中实现非线性双转子系统的碰摩振动机理表征

碰摩是转子系统发生失稳的一个重要原因。在碰摩故障发生时,转子与机壳随时间的推移在碰撞和脱离等状态间变化,容易产生能量交换,并引发复杂的振动现象。通过构建带碰摩故障的非线性双转子系统模型及动力学方程,采用龙格-库塔法进行数值仿真,在相空间中分析系统的非线性振动特性。在振动能量空间中使用非线性能量供给函数模拟碰摩故障发生后系统的转子振动能量变化,利用振动能量轨道的迁移表征碰摩振动机理。研究结果更好地揭示了非线性双转子系统发生碰摩故障后的碰摩振动机理,提出的方法为双转子系统的振动机理分析提供了新的视角。     

基于EMD的旋转机械裂纹松动耦合故障诊断方法研究

针对旋转机械耦合故障的诊断问题,建立了含有裂纹-松动耦合故障的转子-轴承系统动力学模型,并用龙格库塔法求出故障模型振动信号。利用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法对振动信号进行分解,得到含有故障特征的本征模式函数(IntrinsicMode Function,简称IMF)。对IMF做希尔伯特变换得到振动信号边界谱,通过分析边界谱的倍频情况并与单一故障信号作比较,诊断出故障信号同时含有裂纹和松动故障特征,说明该故障系统存在裂纹松动耦合故障,并证明EMD方法在旋转机械耦合故障诊断方面的有效性。     

裂纹转子-轴承-基座系统有限元模态分析

为了掌握转子裂纹的故障特征,采用有限元分析软件ANSYS对转子实验台中的裂纹转子-轴承-基座系统进行模态分析,研究裂纹在转子不同深度和不同位置时的固有频率及振型变化情况,得到的固有频率与理论值一致.通过对比分析得出固有频率及振型与裂纹位置、深度的关系,为裂纹转子故障诊断提供依据.     

裂纹叶片转子的故障特性及其诊断

本文从裂纹叶片转子的动平衡、振动调制、近声场噪声及转子转速分析着手,论述了故障的动力学机理,并以排风机单叶片裂纹故障的形成与扩展为实例,进行故障特征的实验研究。理论和实验研究表明:叶片机械如风机之类可通过多参量特征监测对早期和严重的裂纹故障进行诊断。     

转子叶片裂纹扩展故障诊断实验研究

设计了旋转机械振动监测实验台，通过实验采集了不同裂纹宽度的转子叶片裂纹振动信号，应用小波包分析技术对采集到的振动信号从低频到高频作4尺度小波分解，通过信号的小波包分析谱、信号的小波包分解频段细化图、信号频段小波重构波形对叶片裂纹扩展进行识别、分析，结果表明：叶片裂纹存在高频冲击，并且表现为轻微的颤动、裂纹扩展、振动加剧，当裂纹宽度为叶片宽度的一半时，裂纹迅速扩张，叶片很快断裂．这就为转子叶片裂纹故障的监测与诊断提供了依据．