劉楊 李炎臻 太興宇 董麗媛 聞邦椿

摘要： 針對(duì)轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承系統(tǒng)發(fā)生松動(dòng)故障進(jìn)而引發(fā)松動(dòng)碰摩耦合故障的診斷問(wèn)題，基于非線性有限元方法，應(yīng)用非線性短軸承油膜力模型、松動(dòng)剛度模型及Hertz接觸理論建立雙盤(pán)松動(dòng)碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。首先，研究并分析了滑動(dòng)軸承（油膜力）支撐下的健康轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；進(jìn)而，通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)軸承支撐下的松動(dòng)碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征為主，時(shí)域波形呈現(xiàn)下密上疏的波動(dòng)形狀，軸心軌跡表現(xiàn)為多個(gè)嵌套的“半橢圓形”，這些故障特征可以作為診斷滑動(dòng)軸承（油膜力）支撐下松動(dòng)碰摩耦合故障的一個(gè)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 故障診斷； 螺栓松動(dòng)； 碰摩； 雙盤(pán)轉(zhuǎn)子； 油膜力

中圖分類(lèi)號(hào)： TH165+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-4523（2016）03-0549-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.022

引 言

油膜振蕩是滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中常見(jiàn)的現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的油膜振蕩會(huì)使軸系振幅急劇增大，容易引發(fā)軸承座與基礎(chǔ)間的螺栓松動(dòng)，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子與定子間的碰撞與摩擦，使其出現(xiàn)周期性的碰摩現(xiàn)象，這對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生了直接影響。因此，為了提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作穩(wěn)定性與安全性，研究轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承系統(tǒng)松動(dòng)碰摩耦合故障復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性及其演變規(guī)律具有重要的意義。

近些年來(lái)，對(duì)于油膜振蕩引起的失穩(wěn)、松動(dòng)和碰摩等耦合故障問(wèn)題的研究一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)注的重大課題。褚福磊[1]等研究了基于短軸承油膜力模型的轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生彈性碰摩的動(dòng)力學(xué)行為，分析后發(fā)現(xiàn)其具有明顯的分叉與混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。劉長(zhǎng)利[2]對(duì)松動(dòng)碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分析了系統(tǒng)在不同參數(shù)域內(nèi)分岔集的變化情況。陳果[3]通過(guò)對(duì)松動(dòng)與碰摩故障耦合時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)特征的研究發(fā)現(xiàn)，松動(dòng)故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的振幅突然增加并產(chǎn)生混沌運(yùn)動(dòng)。Agnes Muszynska[4]研究了具有基座松動(dòng)及轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為，并結(jié)合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。蘇長(zhǎng)青等[5]采用短軸承非穩(wěn)態(tài)油膜力模型，研究了存在碰摩和支座松動(dòng)耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng)問(wèn)題。羅躍綱等[6]研究了具有松動(dòng)碰摩耦合故障雙跨轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程，指出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)以混沌運(yùn)動(dòng)為主。本文運(yùn)用有限單元法建立了油膜力支撐下的松動(dòng)碰摩耦合故障雙盤(pán)單跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，使用Newmarkβ迭代數(shù)值求解方法來(lái)獲取故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)響應(yīng)結(jié)果；并基于非線性短軸承油膜力模型和松動(dòng)剛度模型理論研究并分析了在不同轉(zhuǎn)速條件下，松動(dòng)碰摩耦合故障轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)的相關(guān)特性，為轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承系統(tǒng)的耦合故障診斷提供了理論參考。

3 結(jié) 論

（1）健康轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在滑動(dòng)軸承（油膜力）支承下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，油膜渦動(dòng)現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)，倍頻及分頻諧波系列成分較為豐富，并且分頻逐漸取代轉(zhuǎn)頻成為主頻，油膜振蕩現(xiàn)象加劇。當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生松動(dòng)碰摩耦合故障時(shí)，由于松動(dòng)剛度和碰摩力的共同作用，油膜失穩(wěn)現(xiàn)象被抑制；此時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)碰摩現(xiàn)象加劇，逐步由周期1運(yùn)動(dòng)分岔進(jìn)入周期N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）通過(guò)研究在不同轉(zhuǎn)速條件下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性后發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)軸承（油膜力）支撐下的松動(dòng)碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征為主，頻率成分較為豐富，轉(zhuǎn)頻長(zhǎng)時(shí)間作為主頻，時(shí)域波形呈現(xiàn)下密上疏的波動(dòng)形狀，軸心軌跡表現(xiàn)為多個(gè)嵌套的“半橢圓形”，這些故障特征可以作為診斷滑動(dòng)軸承（油膜力）支撐下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動(dòng)碰摩耦合故障的一個(gè)理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chu F L， Zhang Z S. Periodic， quasiperiodic and chaotic vibrations of a rubimpact rotor system supported on oil film bearings [J]. International Journal of Engineering Science， 1997， 35（1011）： 963—973.

[2] 劉長(zhǎng)利， 姚紅良， 羅躍綱， 等. 松動(dòng)碰摩轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究 [J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)， 2004， 17（3）： 336—340.

Liu Changli， Yao Hongliang， Luo Yuegang， et al. Dynamics of rotorbearing system with coupling faults of pedestal looseness and rubimpact[J]. Journal of Vibration Engineering， 2004， 17（3）： 336—340.

[3] 陳果. 含不平衡碰摩基礎(chǔ)松動(dòng)耦合故障的轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力響應(yīng)分析 [J]. 振動(dòng)與沖擊， 2008， 27（9）： 100—104.

CHEN Guo. Nonlinear dynamic response analysis of rotorball bearing system including unbalancerubbinglooseness coupled faults [J]. Journal of Vibration and Shock， 2008， 27（9）： 100—104.

[4] Agnes Muszynska， Paul Goldman. Chaotic responses of unbalanced rotor/bearing/stator systems with looseness or rubs [J]. Chaos， Solitons & Fractals， 1995， 5（9）： 1683—1704.

[5] 蘇長(zhǎng)青， 張義民， 趙群超. 帶有支座松動(dòng)故障的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)碰摩的可靠性分析 [J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)， 2008， 15（5）： 347—350.

SU Changqing， ZHANG Yimin， ZHAO Qunchao. Reliability analysis for rubbing in rotorbearing system with pedestal looseness[J]. Journal of Engineering Design， 2008， 15（5）： 347—350.

[6] 羅躍綱， 杜元虎， 任朝暉， 等. 雙跨轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)松動(dòng)碰摩耦合故障的非線性特性 [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2008， 39（11）： 180—183， 206.

LUO Yuegang， DU Yuanhu， REN Zhaohui， et al. Nonlinear characteristics of twospan rotorbearing system with coupling faults of pedestal looseness and rubimpact [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2008， 39（11）： 180—183， 206.

[7] Adiletta G， Guido A R， Rossi C. Chaotic motions of a rigid rotor in short journal bearings [J]. Nonlinear Dynamics， 1996， 10（3）： 251—269.

[8] 姚紅良， 劉長(zhǎng)利， 張曉偉， 等. 支承松動(dòng)故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)共振區(qū)動(dòng)態(tài)特性分析 [J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2003， 24（8）： 798—801.

Yao Hongliang， Liu Changli， Zhang Xiaowei， et al. Dynamics of pedestal looseness rotor system near the critical speed region [J]. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2003， 24（8）： 798—801.

[9] 韓清凱， 于濤， 王德友， 等. 故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分析與診斷方法 [M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2010.

HAN Qingkai， YU Tao， WANG Deyou， et al. Nonlinear Vibration Analysis and Diagnosis Methods of Fault Rotor System [M]. Beijing： Science Press， 2010.

[10] Yang Liu， Xingyu Tai， Qinliang Li， et al. Characteristic analysis of loosenessrubbing coupling fault in dualdisk rotor system [J]. Journal of Vibroengineering， 2013， 15（4）： 1765—1777.

[11] Lesaffre N， Sinou J J， Thouverez F. Contact analysis of a flexible bladedrotor [J]. European Journal of Mechanics A/Solids， 2007， 26（2007）： 541—557.

[12] Barzdaitis V， Bogdevicius M， Didziokas R. Diagnostics procedure for identification of rubs in rotor bearings [J]. Journal of Vibroengineering， 2010， 12（4）： 552—565.

[13] 楊金福，楊晟博，陳策，等. 滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究 [J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)， 2008， 23（8）： 1420—1426.

Yang Jinfu， Yang Shengbo， Chen Ce， et al. Research on sliding bearings and rotor system stability [J]. Journal of Aerospace Power， 2008， 23（8）： 1420—1426.