故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分析與診斷方法

前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在國(guó)防、能源、電力、交通、機(jī)械和化工等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)期以來(lái)，人們高度重視對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的深入研究。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要組成部分，旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性決定著旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作性能和結(jié)構(gòu)安全。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的復(fù)雜而重要的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，會(huì)有許多因素特別是故障因素造成強(qiáng)烈振動(dòng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題，甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡的重大事故。因此，研究帶故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)分析理論與方法、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的診斷方法，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)家安全都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。人們?cè)谵D(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)分析、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷等方面開(kāi)展了大量的卓有成效的研究工作，取得了許多重要的成果，并在工程實(shí)際中加以應(yīng)用，帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是，理論研究和工程實(shí)際都對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論和方法提出越來(lái)越高的要求。由于故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題十分復(fù)雜，因而對(duì)故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為、故障機(jī)理及非線性振動(dòng)特征的理論與分析、振動(dòng)故障的診斷方法等，仍然需要不斷地進(jìn)行深入研究。在典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械f如航空發(fā)動(dòng)機(jī)）的某些典型故障（如碰摩、不對(duì)中、裂紋等）的故障機(jī)理與非線性振動(dòng)分析方面，還存在著許多不為人所了解的規(guī)律。同時(shí)，對(duì)故障診斷的要求，也從定性向定量發(fā)展，不僅要求具有高度的診斷有效性，而且還要求足夠準(zhǔn)確地診斷出故障的類型、具體位置甚至嚴(yán)重程度。作者在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863計(jì)劃”）項(xiàng)目“航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的定量診斷技術(shù)”（編號(hào)2007AA042418）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)分析的多場(chǎng)耦合模型建立與典型工況仿真的研究”（編號(hào)50775028），以及教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)為背景，在進(jìn)行合理的力學(xué)簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，結(jié)合模型試驗(yàn)，深入細(xì)致地研究了幾種典型振動(dòng)故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性振動(dòng)機(jī)理和非線性振動(dòng)特征的分析問(wèn)題。本書(shū)中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)故障主要包括不平衡、碰摩、不對(duì)中、不對(duì)稱支承、轉(zhuǎn)子裂紋等，在定性故障診斷方法的基礎(chǔ)上，本書(shū)提出了基于模型的和基于非線性輸出頻率傳遞函數(shù)（NOFRF）的故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定量診斷方法。

內(nèi)容概要

本書(shū)介紹旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的幾種典型振動(dòng)故障的產(chǎn)生機(jī)理、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分析方法及其振動(dòng)特征，以及相應(yīng)的診斷方法。主要內(nèi)容包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與不平衡響應(yīng)的計(jì)算方法，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩、不對(duì)中、不對(duì)稱支承、裂紋等典型故障的動(dòng)力學(xué)建模方法，振動(dòng)響應(yīng)仿真分析、試驗(yàn)分析等，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障特征提取的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域信號(hào)分析的有效方法，最后還提出了故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定量診斷方法。另外，書(shū)中附有必要的計(jì)算程序?！　”緯?shū)可供旋轉(zhuǎn)機(jī)械、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、故障診斷等專業(yè)的研究生和教師閱讀，也可供相關(guān)專業(yè)的科技人員參考。

書(shū)籍目錄

《非線性動(dòng)力學(xué)叢書(shū)》序 　前言 第1章 緒論 　1.1 研究意義 　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 　1.3 本書(shū)主要內(nèi)容 第2章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與不平衡響應(yīng) 　2.1 引言 　2.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立 　2.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算的Riccati傳遞矩陣法 　2.4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算的有限元法 　2.5 兩種臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法的比較 　2.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)響應(yīng)分析 　2.7 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析 　2.8 本章小結(jié) 第3章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩故障 　3.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的基本原理 　3.2 Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)靜件碰摩 　3.3 單跨雙圓盤(pán)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定點(diǎn)碰摩 　3.4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點(diǎn)碰摩的周期運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 　3.5 雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定點(diǎn)碰摩 　3.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點(diǎn)碰摩的模型實(shí)驗(yàn) 　3.7 本章小結(jié) 第4章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對(duì)中故障 　4.1 不對(duì)中故障的機(jī)理及主要特征 　4.2 不對(duì)中故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 　4.3 單跨轉(zhuǎn)子不對(duì)中的動(dòng)力學(xué)模型 　4.4 單跨轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的仿真與試驗(yàn) 　4.5 雙跨轉(zhuǎn)子不對(duì)中的動(dòng)力學(xué)模型 　4.6 跨轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的仿真分析 　4.7本章小結(jié) 第5章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對(duì)稱支承故障 　5.1 引言 　5.2 具有不對(duì)稱支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模 　5.3 具有不對(duì)稱支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)仿真 　5.4 不對(duì)稱臺(tái)板參振的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模 　5.5 不對(duì)稱臺(tái)板參振的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)仿真 　5.6 本章小結(jié) 第6章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裂紋故障 　6.1 引言 　6.2 裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元建模 　6.3 裂紋對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性的影響分析 　6.4 裂紋對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響分析 　6.5 本章小結(jié) 第7章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的定性診斷方法 　7.1 引言 　7.2 振動(dòng)信號(hào)的分析處理方法 　7.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的時(shí)頻分析與定性診斷 　7.4 本章小結(jié) 第8章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的定量診斷方法 　8.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡量的辨識(shí) 　8.2 基于模態(tài)擴(kuò)展與諧波分解的轉(zhuǎn)子碰摩故障的定量診斷 　8.3 基于模態(tài)分析和ANN的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋故障的定量診斷 　8.4 基于非線性輸出頻率響應(yīng)函數(shù)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的定量診斷 　8.5 本章小結(jié) 參考文獻(xiàn) 附錄A 常用程序 　A.1 傳遞矩陣法分析程序 　A.2 碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)計(jì)算仿真程序 　A.3 穩(wěn)定性分析程序 　A.4 不對(duì)中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)仿真程序 　A.5 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對(duì)中故障的振動(dòng)信號(hào)小波包分解程序 　A.6 HHT變換用于分析碰摩轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的程序 　A.7 基于NOFRF的碰摩轉(zhuǎn)子定量診斷程序 附錄B 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值積分方法 《非線性動(dòng)力學(xué)叢書(shū)》已出版書(shū)目

章節(jié)摘錄

插圖：（1）制造誤差。在聯(lián)軸器加工過(guò)程中，由于工藝或測(cè)量等原因造成端面與軸心線不垂直或端面螺栓孔的圓心與軸頸不同心。這種情況下在聯(lián)軸器處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩，但這個(gè)彎矩的大小和方向不隨時(shí)間及運(yùn)行條件的變化而變化，只相當(dāng)于在聯(lián)軸器處施加了一個(gè)不平衡力，其結(jié)果是在聯(lián)軸器附近產(chǎn)生較大的一階振動(dòng)，通過(guò)加平衡塊的方法容易消除。（2）安裝誤差及其他影響。在排除了加工誤差引起的不對(duì)中后，可以將不對(duì)中分為冷態(tài)不對(duì)中和熱態(tài)不對(duì)中兩種情況。其中冷態(tài)不對(duì)中主要是指在室溫下由于安裝誤差造成的對(duì)中不良；熱態(tài)不對(duì)中指機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中由于溫度等因素造成的不對(duì)中，其主要原因有：基礎(chǔ)受熱不均；機(jī)組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形：機(jī)組熱膨脹時(shí)由于滑動(dòng)表面的摩擦力及導(dǎo)向鍵磨損引起軸承座傾斜和側(cè)行；由于轉(zhuǎn)子的撓性和重量分配不均勻，轉(zhuǎn)子在安裝之后產(chǎn)生原始彎曲、進(jìn)而影響對(duì)中：地基下沉不均等。目前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多使用自位軸承，因此，軸承偏角不對(duì)中容易消除。實(shí)際情況下更多的是軸承位置標(biāo)高發(fā)生變化，使軸承載荷重新分配，從而影響整個(gè)軸系的穩(wěn)定性。軸承支撐標(biāo)高的變化改變了軸系振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，即改變了柔性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和振型。按柔性轉(zhuǎn)子平衡理論，如果原來(lái)平衡狀態(tài)良好，平衡加重合理的轉(zhuǎn)子，支撐標(biāo)高的改變都不會(huì)使振動(dòng)產(chǎn)生變化；如果殘存不平衡數(shù)量大或平衡塊加重方式不合理而使轉(zhuǎn)子存在內(nèi)力矩，則臨界轉(zhuǎn)速值和振型的改變就使原來(lái)殘余小平衡狀態(tài)所起的作用發(fā)生變化，所以柔性轉(zhuǎn)子平衡不良、支撐標(biāo)高相對(duì)變化的影響最大。對(duì)于多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，綜合各形式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)聯(lián)軸器不對(duì)中的建模方法有三種側(cè)：（1）基于聯(lián)軸器的變形幾何關(guān)系和受力分析。根據(jù)各形式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析其在不對(duì)中狀態(tài)下的變形幾何關(guān)系和受力情況。推導(dǎo)出不對(duì)中聯(lián)軸器廣義激振力與不對(duì)中量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)關(guān)系的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上獲得該激振力作用下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。該方法的核心是推導(dǎo)不對(duì)中聯(lián)軸器廣義激振力的表達(dá)式，缺點(diǎn)是忽略了聯(lián)軸器對(duì)其所在軸段剛度的影響。（2）基于等效軸段法。用有限元法或集中質(zhì)量法等把實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)離散為含有若干軸段和圓盤(pán)單元構(gòu)成的離散系統(tǒng)，求出離散系統(tǒng)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，將由聯(lián)軸器連接后的整體系統(tǒng)看成一多跨的軸盤(pán)系統(tǒng)，將其中的聯(lián)軸器用一等效的軸段來(lái)模化，同時(shí)分析求解聯(lián)軸器的等效剛度，建立包含不對(duì)中聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。該方法的核心是求出聯(lián)軸器的等效剛度，并把聯(lián)軸器等效成軸段或圓盤(pán)單元進(jìn)行分析。該分析方法的缺點(diǎn)是相當(dāng)于給系統(tǒng)增加了一個(gè)約束。

編輯推薦

《故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分析與診斷方法》由科學(xué)出版社出版。

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