损伤转子动力学及其诊断技术关键问题的研究
  • 【摘要】

    随着科学技术的进步和现代工业的发展,旋转机械在电力、能源、交通、国防和化工等领域中得到了广泛应用并发挥着越来越重要的作用,对旋转机械动力学特性的研究也逐渐得到了人们的重视。复杂旋转机械,时常由于各种线性或非线性因素激发起各种故障,进而会使机器发生严重事故,甚至是机毁人亡的重大事故。因此,研究转子系统故障机理和诊断技术有着十分重要的意义,目前国内外科技工作者在这些方面进行了大量的研究,并取得了丰硕成... 展开>>随着科学技术的进步和现代工业的发展,旋转机械在电力、能源、交通、国防和化工等领域中得到了广泛应用并发挥着越来越重要的作用,对旋转机械动力学特性的研究也逐渐得到了人们的重视。复杂旋转机械,时常由于各种线性或非线性因素激发起各种故障,进而会使机器发生严重事故,甚至是机毁人亡的重大事故。因此,研究转子系统故障机理和诊断技术有着十分重要的意义,目前国内外科技工作者在这些方面进行了大量的研究,并取得了丰硕成果。 本课题以沈阳鼓风机集团有限公司与东北大学联合进行的“大型压缩机转子振动实验系统”项目为背景,针对东北大学承担的第九子课题(损伤转子系统的动态响应特征)和第十子课题(碰摩转子动力特性的测试与分析)为主要研究内容,就裂纹损伤转子系统、碰摩损伤转子系统及由其引申的广义惯性损伤转子系统进行较为深入的非线性动力学行为研究,在前人的基础上进一步对其进行理论和实验研究。相应的研究工作得到国家自然科学基金重点项目(编号:50535010),国家自然科学基金项目(编号:50275024),国家自然科学基金项目(编号:10402008),沈阳市机械振动与产品动态设计重点实验室,以及沈阳鼓风机(集团)有限公司国家技术中心的大力支持。本文具体研究内容如下: 本文从断裂力学理论出发,考虑了裂纹强度因子中剪力因素在裂纹截面处的影响,并给出了理论上的详细推导,采用局部柔度理论计算了裂纹深度对裂纹附加柔度的影响,从理论上证明了若忽略裂纹截面剪力在截面产生弯矩的影响,将对裂纹单元刚度矩阵产生较大的误差。通过建立的复杂裂纹转子有限元动力学模型,对裂纹深度、位置对单一裂纹及双裂纹转子系统固有特性的影响进行了细致的分析,指出了单一裂纹、双裂纹转子系统的裂纹敏感位置。分析了不同裂纹位置对单一裂纹转子系统和双裂纹转子系统亚临界、主共振区,及超临界转速下的非线性动力学响应,以及双裂纹转子系统不同裂纹方向角对双裂纹转子系统动力学响应的影响,相应的轴心轨迹与频谱分析为单(多)裂纹转子系统,尤其是多裂纹转子系统故障识别提供了理论依据。讨论了单一常开裂纹、单一呼吸裂纹及双呼吸裂纹转子系统刚度突变的系统振动特性,给出了裂纹突变导致刚度突变对转子系统动力学响应的特点,指出阶跃式时域波形、频谱成分以及近同心状轴心轨迹可以作为刚度突变故障的一项重要依据。融合有限元、模态分析、人工神经网络等手段,提出基于模态振型分析的转子裂纹损伤故障参数神经网络识别方法。在方法的实现过程中,采用了基于Levenberg-Marquardt算法的BP神经网络,实现了裂纹故障重要参数(位置和深度)的定量诊断,为裂纹故障的在线检测与诊断提供了新的思路。通过裂纹转子前三阶训练网络的误差分析对比,对于一阶训练网络,裂纹深度比大于0.4时,训练样本数量对识别误差影响较小,只是随着裂纹深度的减小,较少的训练样本对识别误差的影响才体现出来;对于二阶训练网络,对较深裂纹,较多训练样本情况,识别误差依然能够控制在较好的误差范围内。对于三阶训练网络,只有当裂纹深度较深时,可以得到较满意的识别效果。表明一阶训练网络识别效果优于其它。结果分析还表明,利用低阶模态可以实现少样本情况下裂纹故障的较精确识别。 采用渐近方法和基于复杂转子系统有限元模型的数值方法,研究和讨论了具有单一质量慢变特性的转子系统非线性动力学响应,并在此基础上研究了给定质量慢变模型情况下的双质量慢变和广义惯性损伤转子系统转子系统动力学行为。基于渐近方法的质量慢变转子系统响应解析解,在很大程度上取决于解近似程度,由于通常情况下多数采用一次近似解,使所得到的结论与基于转子系统复杂有限元模型的质量慢变转子系统数值解有一定的差别,这种差别具体体现在当采用Morlet重分配尺度图对时域信号进行分析时,后者更能从时间上反映质量慢变转子系统频率的波动情况。首次对双质量慢变转子系统进行了研究和讨论,以具体质量慢变模型为例,系统频率响应,以两慢变质量模型中的慢变频率缈ω<,m>和慢变时间系数ε的乘积的组合,即时间t尺度下的慢变频率为递增和递减幅值,对称分布于以工频为中心的两侧频带,以此为依据给出了多质量慢变转子系统频率分布公式。将质量慢变转子系统推广为惯性损伤转子系统,研究了质量慢变转子系统相位突变导致的动力学响应问题,指出相位突变除了带来时域信号的局部突变和轴心轨迹的“扭转”外,其时域信号的Morlet重排尺度图中频率冲击成分更能说明相位突变带来的动力学响应变化。对比研究了质量慢变转子一轴承系统孪生碰摩损伤的非线性动力学响应,指出考虑了质量慢变因素的碰摩损伤转子-轴承系统除了具有无质量慢变碰摩损伤转子一轴承系统的时频响应特点外,前者由于质量慢变因素的影响,使得频率响应的各次主谐波频率成分附近,随着碰摩程度的不同,呈现以慢变频率为增减量的频带分布特点。同时,在分析过程中,使用三维轴心轨迹图不仅能体现轴心轨迹随时间的变化,更能够从时域上体现轴心轨迹之间间隙变化,从而发现和推断系统响应中频率成分的改变。系统地提出了基于混合模型的碰摩故障识别方法,并以实验进行了验证。其创新性的基于混合模型的故障诊断思想具有较高的应用和推广价值。首先,基于转子系统碰摩力周期性假设,建立了转子系统有限元模型,给出了模态扩展和傅立叶级数分频谐波近似算法,对实际碰摩转子系统的碰摩力和碰摩位置进行了估算,得到的理论结果与实验结果相吻合。结论证明,采用本文方法能够在测点较少的情况下,实现对局部碰摩故障较精确的诊断。 针对国内外旋转机械运行中可能出现的故障,结合沈阳鼓风机集团有限公司与几个单位联合进行的“大型压缩机转子振动实验系统”课题,进行了转子振动实验台主体设计、损伤转子系统的动态响应特征测试系统设计、碰摩转子动力特性的测试与分析系统设计。在转子试验台总体设计中,提出“动力学相似”原则,使所设计的转子试验台在实验测试中表现出的动力学特性与原物理模型实际运转情况尽可能相似。在损伤转子系统测试系统设计中,提出使用声发射技术作为常规测试的重要补充手段,并给出了测试方案图及实验步骤。在碰摩转子系统动力学测试系统设计中,设计了具有微进给装置的碰摩装置,且该装置配备有力传感器,能够对碰摩发生时的碰摩力进行全方位的采集,使转子系统碰摩故障实验装置较传统装置有了质的提高。对转子试验台的系统化的设计,使旋转机械转子试验台的设计更加规范化,为实验室条件下进行更高层次的转子动力学研究和实验提供了必要的参考。 收起<<

  • 【作者】

    于涛 

  • 【学科专业】

    机械电子工程

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    东北大学

  • 【导师姓名】

    闻邦椿

  • 【学位年度】

    2006

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    非线性动力学  转子轴承系统损伤  疲劳裂纹  有限元模型  人工神经网络  小波变换  定量诊断