带有支承松动故障的转子系统的非线性振动

作者:李殿起;韦茵;姜彤;金映丽 刊名:沈阳工业大学学报 上传者:吴寒阳

【摘要】应用转子动力学和非线性动力学理论分析了支承松动的转子系统的复杂非线性现象,通过以转速比变化为参数的分叉图得出:当工作转速低于一阶临界转速时,支承松动引起的振动较大;而当工作转速高于一阶临界转速时,松动引起的振幅反而较小,但是在一定的条件下会发生亚谐共振现象而引起较大的振动.同时,还通过频谱分析对转子支承松动的振动特征进行了研究.以上结论及振动特征为旋转机械的转子故障诊断提供了理论依据.

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转子支承部件的损坏或振动会导致支承部件松动,从而使转子支承部分产生一定大小的间隙.如在滚动轴承支承的转子系统中,由于轴承外圈与支座间过大的动配合,或由于轴承的磨损,即可导致间隙的产生.一旦转子的支承部分产生间隙,支承特性将是非线性的.旋转机械松动通常可分为旋转部件松动和基础松动两种形式.旋转部件松动是指支承系统配合间隙过大或配合过盈量不足引起的振动,而基础松动是指配合面的连接螺栓紧固不牢发生的异常振动.1转子系统的支承松动机器的转子支承系统,当轴承套与壳体配合过盈量不足时,轴承套受转子离心力的作用沿圆周方向发生周期性变形,从而改变了轴承的几何参数引起振动;当轴承座螺栓紧固不牢时,由于结合面上有间隙,系统将发生不连续的位移.本文以前者为例进行研究.图1是具有机械松动的转子支承系统示意图,设其右端轴承配合松动,将松动间隙折算到圆盘处,记为C0,在如图2所示的偏置间隙模型中,C0在水平和垂直方向上不同.那么在转子支承松动影响下的转子的刚度系数可表示为ks=k(1+b-cs)s-(b-c)0-(b-c)b+c(1)Apr.2005式中:sx或y;k轴的刚度系数;b间隙;c间隙偏置量.图1具有机械松动的转子支承系统示意图Fig.1Theschematicdiagramofrotorsystemwithpedestallooseness图2间隙模型Fig.2Themodelofclearances2转子轴承系统的动力学模型设轴和转子的总质量为M,取轴承中心Ob为坐标原点构造直角坐标系Obxy,这样,转子的轴心Oj位置可用(x,y)表示,于是系统的运动微分方程可写为MX+rX+KXX=ME2cosMY+rY+KYY=ME2sin(2)式中:E转子质心到形心的距离,即转子的质量偏心距;转子转速;r阻尼系数;kx,ky分别为转子在水平方向和垂直方向的刚度.引入以下无量纲变换x=X/,y=Y/,e=E/,p=/0,t=0其中:=D1-D0,而D1、D0分别为定子、转子的直径;0=k/M,为转子横向弯曲振动的固有频率.由式(2)得到无量纲时系统的运动微分方程x+x+fx=ep2cospty+y+fy=ep2sinpt(3)式中:阻尼比;fx,fy因转子在水平和垂直方向间隙偏置量的不同而有所不同.对于水平方向,其偏置量c=0,上式中的fx可表示为fx=x+bx-b0-bb(4)对于垂直方向,由于在重力作用下存在变形,此时偏置量c=b+d,其中d为静变形,d=mg/k,上式中的fy可表示为fy=y-dyd0d2b+d(5)3转子轴承系统有支承松动故障时的非线性振动分析为研究支承松动引起的转子系统的非线性振动,本文以一电机为算例,该电机转子主要参数如下:质量m=235kg,定子直径D1=136mm,转子外径D0=135mm,轴刚度系数k=3107N/m,系统阻尼c=270Ns/m,0=1130rad/s.经无量纲化的过程得到阻尼系数=001,d=00078.对于方程(3),保持偏心e=1不变,研究转子响应随转速和松动间隙变化的情况.转速的变化是影响系统运动特性的主要因素,它对系统动力学行为的影响可分为超临界转速和亚临界转速两个阶段考虑.31支承松动对系统动力学特性的影响为了研究由于转子支承间隙导致的转子非线性振动,转速按两种情况考虑,即在亚临界转速和超临界转速内各取一值p=038和p=15.图3是当转速比p=038时,间隙在b=0052时的转子响应分叉图,从图中可以看出,在亚临界转速下,支承间隙会使转子响应主要以倍周期运动和混沌运动为主,其间伴随着周期运动,可以看出,系统是

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