參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其故障研究.pdf

1、在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，若系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度或激勵(lì)等參數(shù)在一個(gè)“時(shí)間的自然單位(振動(dòng)周期)”內(nèi)僅發(fā)生微小變化，則該系統(tǒng)為慢變參數(shù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。即慢變參數(shù)在經(jīng)歷多個(gè)振動(dòng)周期的時(shí)間后變化才較明顯。參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有廣泛的工程背景，如分離機(jī)械和紡織機(jī)械在工作過程中其轉(zhuǎn)子的質(zhì)量由于其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的分離或紗錠上纏繞棉紗圈數(shù)的改變導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的整體質(zhì)量隨時(shí)間發(fā)生慢變；大型燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等同轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)軸表面產(chǎn)生裂紋時(shí)，隨著裂紋的逐步擴(kuò)展和加深，

2、轉(zhuǎn)子剛度會(huì)發(fā)生變化；裝有慣性激振器的振動(dòng)機(jī)械在啟動(dòng)或制動(dòng)過程屬于激勵(lì)頻率慢變的振動(dòng)系統(tǒng)；滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于潤(rùn)滑油的變質(zhì)和消耗導(dǎo)致系統(tǒng)的阻尼發(fā)生慢變；在過程裝備控制中為了實(shí)現(xiàn)某一工藝參數(shù)穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，可利用變頻技術(shù)使泵或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生改變，頻率的改變過程往往也是個(gè)慢變過程。通過以上實(shí)例可以看出，對(duì)參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的求解方法進(jìn)行研究無(wú)疑具有一定的理論意義和工程意義。 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度或激勵(lì)(干擾力)

3、的改變相當(dāng)于給系統(tǒng)施加一個(gè)外在沖擊，眾所周知非線性系統(tǒng)的一個(gè)顯著特征就是初值敏感性，即使參數(shù)發(fā)生是慢變也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，甚至引發(fā)的一些災(zāi)難性事故。為滿足工程實(shí)際對(duì)故障診斷的需要，有必要對(duì)帶有故障的參數(shù)慢變旋轉(zhuǎn)機(jī)械從動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行深入的研究探討。目前國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)恒定參數(shù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障如裂紋轉(zhuǎn)子、碰摩轉(zhuǎn)子、支承松動(dòng)等研究的比較多，但對(duì)參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障研究還尚未見報(bào)道。本文以現(xiàn)代非線性動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，

4、以參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及其故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為對(duì)象，研究了系統(tǒng)的北線性動(dòng)力學(xué)行為及其故障特征等問題，主要工作有以下幾個(gè)方面： 結(jié)合非線性振動(dòng)系統(tǒng)近似解析方法中的漸近法和多尺度的優(yōu)點(diǎn)，提出并建立了求解質(zhì)量慢變、剛度慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的漸近多尺度法，通過與傳統(tǒng)的求解慢變參數(shù)系統(tǒng)的漸近法和平均法相比較，漸近多尺度具有求解過程簡(jiǎn)單、求解精度高、即可求穩(wěn)態(tài)解又可求瞬時(shí)解等優(yōu)點(diǎn)。首次應(yīng)用多尺度法求解阻尼慢變、激勵(lì)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，使阻尼、激勵(lì)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的求解

5、過程簡(jiǎn)潔明了，并且能夠求解多自由度阻尼慢變和激勵(lì)慢變的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。 利用材料力學(xué)中的有關(guān)知識(shí)，建立了轉(zhuǎn)軸裂紋緩慢擴(kuò)展的剛度模型，并且得到了裂紋深度與轉(zhuǎn)軸剛度之間的具體函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明當(dāng)裂紋很淺時(shí)裂紋剛度符合方波模型，隨著裂紋的緩慢擴(kuò)展裂紋剛度接近綜合模型，當(dāng)裂紋深度達(dá)到轉(zhuǎn)軸半徑時(shí)成為余弦模型，此外，裂紋的全開全閉的裂紋角區(qū)間隨著裂紋的擴(kuò)展在不斷減少，由方波模型過渡到余弦模型是一個(gè)緩慢的漸變過程。 建立了參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的

6、動(dòng)力學(xué)模型，并通過漸近多尺度法和多尺度法對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了近似解析求解，得到了質(zhì)量慢變、剛度慢變、阻尼慢變以及激勵(lì)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在共振和非共振情況下振幅和相位與慢變時(shí)間的關(guān)系。 建立了帶有碰摩故障、支承松動(dòng)故障的參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，詳細(xì)研究了工作頻率、慢變參數(shù)幅值和慢變參數(shù)頻率對(duì)故障系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，利用分岔圖、Poincare截面，Lyapunov指數(shù)圖、軸心軌線等手段揭示了參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在碰摩故障、支承松動(dòng)故障

7、下的運(yùn)動(dòng)狀況，并對(duì)參數(shù)慢變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和參數(shù)恒定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在相同的故障下的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)論表明慢變參數(shù)對(duì)系統(tǒng)故障具有較大的影響，質(zhì)量慢變減少降低了碰摩故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩強(qiáng)度并運(yùn)動(dòng)以周期和擬周期運(yùn)動(dòng)為主；質(zhì)量慢變波動(dòng)增加了支承松動(dòng)故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)區(qū)間，并降低了松動(dòng)發(fā)送的起始頻率；阻尼慢變波動(dòng)改變了碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡運(yùn)動(dòng)范圍，并影響了碰摩發(fā)生頻率范圍；激勵(lì)慢變使碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，周期運(yùn)動(dòng)、擬周期運(yùn)動(dòng)和混沌運(yùn)動(dòng)的分界線