故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動分析與診斷方法

前言

航空發(fā)動機、汽輪機、壓縮機、風機、水泵等旋轉(zhuǎn)機械，在國防、能源、電力、交通、機械和化工等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用并發(fā)揮著重要作用。長期以來，人們高度重視對旋轉(zhuǎn)機械動力學問題的深入研究。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)機械的重要組成部分，旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特性決定著旋轉(zhuǎn)機械的工作性能和結(jié)構(gòu)安全。以航空發(fā)動機為代表的復雜而重要的旋轉(zhuǎn)機械，會有許多因素特別是故障因素造成強烈振動，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，往往會導致嚴重的振動問題，甚至導致機毀人亡的重大事故。因此，研究帶故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學問題、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動分析理論與方法、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的診斷方法，不僅具有重要的學術(shù)價值，而且對國民經(jīng)濟以及國家安全都有著十分重要的現(xiàn)實意義。人們在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動分析、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷等方面開展了大量的卓有成效的研究工作，取得了許多重要的成果，并在工程實際中加以應(yīng)用，帶來了明顯的經(jīng)濟和社會效益。但是，理論研究和工程實際都對現(xiàn)有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學的理論和方法提出越來越高的要求。由于故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動問題十分復雜，因而對故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學行為、故障機理及非線性振動特征的理論與分析、振動故障的診斷方法等，仍然需要不斷地進行深入研究。在典型旋轉(zhuǎn)機械f如航空發(fā)動機）的某些典型故障（如碰摩、不對中、裂紋等）的故障機理與非線性振動分析方面，還存在著許多不為人所了解的規(guī)律。同時，對故障診斷的要求，也從定性向定量發(fā)展，不僅要求具有高度的診斷有效性，而且還要求足夠準確地診斷出故障的類型、具體位置甚至嚴重程度。作者在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863計劃”）項目“航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障的定量診斷技術(shù)”（編號2007AA042418）、國家自然科學基金項目“發(fā)動機整機振動分析的多場耦合模型建立與典型工況仿真的研究”（編號50775028），以及教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃等項目的支持下，以航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作特點為背景，在進行合理的力學簡化基礎(chǔ)上，結(jié)合模型試驗，深入細致地研究了幾種典型振動故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性振動機理和非線性振動特征的分析問題。本書中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動故障主要包括不平衡、碰摩、不對中、不對稱支承、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

本書介紹旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的幾種典型振動故障的產(chǎn)生機理、故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動分析方法及其振動特征，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)的計算方法，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩、不對中、不對稱支承、裂紋等典型故障的動力學建模方法，振動響應(yīng)仿真分析、試驗分析等，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障特征提取的時域、頻域和時頻域信號分析的有效方法，最后還提出了故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定量診斷方法。另外，書中附有必要的計算程序?！　”緯晒┬D(zhuǎn)機械、轉(zhuǎn)子動力學、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。

書籍目錄

《非線性動力學叢書》序 　前言 第1章 緒論 　1.1 研究意義 　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 　1.3 本書主要內(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)動力學模型的建立 　2.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算的Riccati傳遞矩陣法 　2.4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算的有限元法 　2.5 兩種臨界轉(zhuǎn)速計算方法的比較 　2.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動響應(yīng)分析 　2.7 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)動響應(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 單跨雙圓盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定點碰摩 　3.4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點碰摩的周期運動穩(wěn)定性 　3.5 雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的定點碰摩 　3.6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點碰摩的模型實驗 　3.7 本章小結(jié) 第4章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對中故障 　4.1 不對中故障的機理及主要特征 　4.2 不對中故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學模型 　4.3 單跨轉(zhuǎn)子不對中的動力學模型 　4.4 單跨轉(zhuǎn)子不對中故障的仿真與試驗 　4.5 雙跨轉(zhuǎn)子不對中的動力學模型 　4.6 跨轉(zhuǎn)子不對中故障的仿真分析 　4.7本章小結(jié) 第5章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對稱支承故障 　5.1 引言 　5.2 具有不對稱支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學建模 　5.3 具有不對稱支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動仿真 　5.4 不對稱臺板參振的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學建模 　5.5 不對稱臺板參振的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動仿真 　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 裂紋對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性的影響分析 　6.4 裂紋對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學響應(yīng)的影響分析 　6.5 本章小結(jié) 第7章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障的定性診斷方法 　7.1 引言 　7.2 振動信號的分析處理方法 　7.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障的時頻分析與定性診斷 　7.4 本章小結(jié) 第8章 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障的定量診斷方法 　8.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡量的辨識 　8.2 基于模態(tài)擴展與諧波分解的轉(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 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)計算仿真程序 　A.3 穩(wěn)定性分析程序 　A.4 不對中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)仿真程序 　A.5 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中故障的振動信號小波包分解程序 　A.6 HHT變換用于分析碰摩轉(zhuǎn)子振動信號的程序 　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)振動響應(yīng)的數(shù)值積分方法 《非線性動力學叢書》已出版書目

章節(jié)摘錄

插圖：（1）制造誤差。在聯(lián)軸器加工過程中，由于工藝或測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)軸器處會產(chǎn)生一個附加彎矩，但這個彎矩的大小和方向不隨時間及運行條件的變化而變化，只相當于在聯(lián)軸器處施加了一個不平衡力，其結(jié)果是在聯(lián)軸器附近產(chǎn)生較大的一階振動，通過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中后，可以將不對中分為冷態(tài)不對中和熱態(tài)不對中兩種情況。其中冷態(tài)不對中主要是指在室溫下由于安裝誤差造成的對中不良；熱態(tài)不對中指機組在運行過程中由于溫度等因素造成的不對中，其主要原因有：基礎(chǔ)受熱不均；機組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形：機組熱膨脹時由于滑動表面的摩擦力及導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、進而影響對中：地基下沉不均等。目前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多使用自位軸承，因此，軸承偏角不對中容易消除。實際情況下更多的是軸承位置標高發(fā)生變化，使軸承載荷重新分配，從而影響整個軸系的穩(wěn)定性。軸承支撐標高的變化改變了軸系振動系統(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，如果原來平衡狀態(tài)良好，平衡加重合理的轉(zhuǎn)子，支撐標高的改變都不會使振動產(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、支撐標高相對變化的影響最大。對于多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，綜合各形式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用范圍。國內(nèi)外研究學者對聯(lián)軸器不對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，分析其在不對中狀態(tài)下的變形幾何關(guān)系和受力情況。推導出不對中聯(lián)軸器廣義激振力與不對中量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)關(guān)系的表達式，在此基礎(chǔ)上獲得該激振力作用下系統(tǒng)的運動微分方程。該方法的核心是推導不對中聯(lián)軸器廣義激振力的表達式，缺點是忽略了聯(lián)軸器對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)量法等把實際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)離散為含有若干軸段和圓盤單元構(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)看成一多跨的軸盤系統(tǒng)，將其中的聯(lián)軸器用一等效的軸段來?；?，同時分析求解聯(lián)軸器的等效剛度，建立包含不對中聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動微分方程。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單元進行分析。該分析方法的缺點是相當于給系統(tǒng)增加了一個約束。

編輯推薦

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

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