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转子系统碰摩故障实验研究进展与展望

2021-11-01 来源:步旅网
振动与冲击 第33卷第6期 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK 转子系统碰摩故障实验研究进展与展望 马辉,杨健,宋溶泽,能海强,闻邦椿 110819) (东北大学机械工程与自动化学院,沈阳摘 要:针对旋转机械出现的转定子碰摩故障,对实验研究进行全面综述。简单介绍模拟单点、局部及整周碰摩 所用实验装置,分析三种碰摩形式出现的典型实验现象;局部碰摩故障在工程实际中为主要碰摩形式,据研究对象将其划 分为简单转子系统局部碰摩、复杂转子系统局部碰摩、旋转叶片一机匣局部碰摩及实际机组局部碰摩;并对三种碰摩形式 典型故障特征进行对比,分析转定子碰摩实验研究发展方向。 关键词:碰摩;转子系统;实验研究;故障特征;碰摩装置 中图分类号:TH1 13 文献标识码:A DOI:10.13465/j.cnki.jVS.2014.06.001 Review and prospect on the research of rub-impact experiment of rotor systems MA Hui,YANG Jian,SONG Rong-ze,NAI Hai—qiang,WEN Bang—chun (Northeastern University,School of Mechanical Engineering&Automation,Shenyang 110819,China) Abstract: Aiming at the rub—impact fault between rotor and stator in rotating machinery,the development about rub—impact experiments was summarized.The rub—impact experimental devices for single point rub—impact,local rub— impact and full annular rub—impact were introduced and typical experimental phenomena caused by these three types of rub—impacts were analyzed.The main rub—impact mode in practical engineering is the local rub—impact.According to different objects,local urb—impact experiments were divided into four types:( ̄)local urb—impact in simple rotor system,② locla ub-rimpact in complicated rotor system, ̄)locla rub—impact in rotating blade-casing,@locla urb—impact in practicla unit.The typical fault features of the three types of ub—irmpacts were compared and the new research directions about rub— impact experiments were suggested. Key words:rub—impact;rotor system;experimental research;fault feature;rub—impact device 旋转机械中转定子碰摩指转子振动超过许用间隙 发生的转子与定子的接触现象。碰摩故障轻则使机组 振动剧烈增加,影响机组使用寿命;重则引起转子永久 弯曲,甚至引发机毁人亡恶性事故 I2 J。 由于碰摩故障机理与碰摩诱发系统响应的复杂 性,对碰摩故障已有大量研究,且获得丰硕成果 。 1 单点碰摩故障实验研究现状 单点碰摩指在旋转过程中转子与定子发生点接触 的故障现象。实验多采用碰摩杆模拟定子,主要模拟 转盘或转轴与定子间碰摩。典型碰摩装置见图1。 孟光… 指出我国转子动力学研究存在的主要问题。在 转子动力学领域实验研究较少且研究水平较低,验证 理论大多通过数值仿真获得,且有些研究结论离实际 应用距离较大。基于此,本文据转定子单点碰摩、局部 碰摩及整周碰摩不同碰摩形式对国内外有关碰摩故障 实验研究成果进行归纳、总结,分析三种碰摩形式出现 的典型故障特征;展望转定子碰摩实验研究发展方向。 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(N100403008);教育 部新世纪人才支持计划(NCET一11—0078) 收稿Et期:2012—12—28修改稿收到日期:2013—03—15 (a)轴单点柔性碰摩 (C)盘单点碰摩 图1单点碰摩装置 Fig.1 Point rub・impact devices 第一作者马辉男,副教授,1978年9月生 2 振动与冲击 2014年第33卷 针对小型转子系统(采用与图1类似的碰摩模拟 装置),已有不同转速下单点碰摩频谱变化规律及碰摩 导致的典型非线性现象。Muszynaka_4 利用小型转子 实验台,采用黄铜螺钉模拟定子,研究转定子轻微、严 重碰摩时转子系统故障特征,结果表明,对轻微碰摩, 转速达到1阶临界转速的n( =1,2,…,5)倍附近时, 系统响应会出现1X/n低频成分(1 表示转频);对严 重碰摩,转速超过1阶临界转速的2倍时,出现1X/2 低频成分及幅值较小的高频成分。马辉等_1。 基于碰摩 装置(图1(e)),在不同转速下对轮盘外缘单点碰摩故 障进行实验研究,结果表明低于1阶临界转速时,主要 以倍频成分为主;高于1阶临界转速时,随转速升高出 现1X/2与1X/3低频成分、微小的第1阶固有频率成 分及与固频、转频有关的组合频率成分。设转子工作 转速在第1、2阶临界转速之间,韩清凯等 对单跨双 盘柔性转子系统发生的单点碰摩故障进行实验研究, 结果表明碰摩发生时,转子振动存在明显的高频成分, 随碰摩程度的增加,摩擦弧度增加,基频幅值有所下 降,2、3次等高次谐波幅值有所增长。胡茑庆等 对 转子与顶杆间单点碰摩进行实验研究发现,在某一转 速频率下(接近临界转速)刚开始碰摩时系统几乎只有 1 分量,在局部对数谱上在1X/3、2X/3、4X/3分频处 有较微弱、谱线模糊分量。早期碰摩阶段,该分量尽管 微弱,但较明显;在中晚期碰摩阶段,明显出现1X/2、 3X/2分频,碰摩严重时间歇出现1X/2分频。Abuzaid 等_】 对转子与黄铜定子间点碰摩故障进行实验模拟, 研究发现碰摩会致共振频率增加;轻微碰摩主要出现 转频的高倍频成分,如2X等;严重碰摩则出现亚谐波 成分,如1X/3、2X/3等。ChoiH 采用图1(b)碰摩装 置,观测到轻微碰摩与严重碰摩存在不同的轴心轨迹, 且碰摩导致系统响应中出现亚谐波、超谐波及跳跃等 非线性现象。 通过实验分析单点碰摩对临界转速影响,评估碰 摩程度,测试碰摩所致法向冲击力。黎瑜春等 刮采用 柔性点碰摩装置(图1(a)),进行转轴与铜杆的柔性碰 摩实验。研究表明在柔性碰摩下,轴系像多了个支撑 点,可提高轴系刚度从而提高转子的临界转速、增大轴 系阻尼,过临界转速时振幅明显减小。Cong等 采用 本特利RK4转子实验台及单点碰摩装置(图1(b)),模 拟转定子碰摩故障,提出用冲击能量模型判断是否出 现碰摩及碰摩程度,并基于实验数据验证模型的正确 性。为模拟杆、轴的单点碰摩,臧朝平等¨副专门设计出 新碰摩模拟装置,将光电探头所得转速脉冲信号输入 功率放大器后驱动激振器工作,从而实现转子每旋转1 周碰摩1次。工作时调节功率放大器可改变碰摩力 (大小可由力传感器获得),结合模糊诊断方法、灰色关 联诊断方法及神经网络诊断方法完成对碰摩程度识 别。黄葆华等 采用上下可移动的碰磨螺钉模拟转定 子碰摩故障,其中碰磨螺钉与Bk8001阻抗头相连以测 定碰摩时螺钉对转轴的瞬态正向冲击力。 对叶片与机匣间发生的单点碰摩进行实验研究。 高艳蕾等 通过实验模拟叶片与机匣发生的单、双点 碰摩。实验结果表明单点碰摩发生位置(或方向)对应 的测点呈显著单点碰摩特征,即随碰摩程度的增加高 阶分量逐渐增大,尤其二倍频成分。双点碰摩并非两 点同时碰摩,为顺序碰摩,与单点碰摩较严重情况类 似。双点碰摩会致频谱幅值明显增大,尤其基频幅值。 谭大力等 对转子叶片一机匣单点碰摩故障实验研究 表明,碰摩后转子振动含较多低、高次谐波成分,轴心 轨迹不再为椭圆,变得复杂而无规律。基于航空发动 机带机匣转子实验台,张俊红等L22 进行不对中及单点 碰摩故障测试。通过加速度传感器、拉压传感器采集 机匣与轴承座附近的加速度、碰摩力信号,结果表明碰 摩力随转速提高而增大。 单点碰摩时由于转、定子接触面积较小,碰摩过程 主要以碰撞反弹的冲击为主,类似于脉冲激励,小于1 阶临界转速时转子振动响应会出现丰富的高频成分, 而高于1阶临界转速时,由于转定子碰摩力的增加,出 现转子每转2、3周产生1次碰摩情况,因而转子振动 响应会出现1X/2系列(1X/2,3X/2等)及1X/3系列谐 波成分。 2局部碰摩故障实验研究现状 局部碰摩指在旋转过程中,转子与定子上多点、某 一个或几个区域相接触现象,此为常见碰摩形式。而 转定子偏摩亦属于局部碰摩。局部碰摩过程因涉及摩 擦、冲击耦合影响,故障特征较单点碰摩更复杂。常见 的局部碰摩装置有多点碰摩、局部弧形碰摩及圆形整 周碰摩装置。为能有效跟踪系统运转过程中转定子碰 摩情况,已设计出转定子碰摩跟踪装置,主要原理通过电 路导通与断开监测转定子是否接触,部分监测示意图见 图2。通过采集计算机内电压信号与记录的时域波形结 合,可有效鉴别系统发生碰摩时刻及碰摩持续时间。分 析碰摩时间可确定转定子在一周内的碰摩次数,此可为 分析碰摩导致的频谱变化规律提供一定帮助。 2.1 多点局部碰摩实验 邹新元等 通过施加不同大小碰摩力,对转子系 统双点碰摩进行实验。结果表明,随碰摩力的增大,系 统振动频率成分增多,稳定性下降。Lahfiri等 设 计出新的备用轴承装置,见图3,此装置通过在轴承内 环面的圆周方向安装4个凸出螺栓模拟多点固定位置 碰摩。由于转定子接触以碰撞为主,可削弱摩擦影响, 4 振动与冲击 2014年第33卷 采用局部弧形碰摩装置模拟转定子间碰摩与工程 中出现的碰摩较接近,适合模拟以摩擦为主的碰摩或 存在局部微小冲击情况。 2.3圆周局部碰摩实验 周,具有缝隙,调节螺栓时铜套与转动件接触,实现转 定子碰摩。本文用该碰摩装置模拟转定子局部碰摩故 障发现,在低于系统1阶临界转速情况下,轻微碰摩主 要出现高倍频成分;而严重碰摩,时域波形会出现明显 转定子间碰摩会出现多次碰撞反弹,涉及定子内 表面多个位置。为完整模拟转定子碰摩全过程,诸多 研究用整周碰摩装置模拟局部碰摩。 的“削波”现象,由频谱图可观察到倍频、分频的振动现 象;碰摩更严重时会出现涡动频率与旋转频率和频与 差频成分。刘耀宗等 基于Jeffcott转子碰摩故障实 验装置进行大量试验研究发现,工作转速低于1阶临 2.3.1简单转子系统局部碰摩 将定子内表面设计成圆柱形,通过特定方式改变 转定子间隙调整碰摩程度。Chu等 设计的可能产 界转速时,转定子局部碰摩引起倍频振动;高于1阶临 界转速时引起分频振动,在某些转速段内会出现异频 伪共振现象。本文认为在高速转子中,主振动分量集 中于系统共振频率附近是发生局部碰摩故障的主要特 征。武新华等 对单盘转子进行局部碰摩实验发现, 若转子工作在1阶临界转速以下,碰摩后振幅较碰摩 前小;而当转速高于1阶临界转速时,碰摩后振幅较碰 摩前大。Piccoli等 模拟转定子定转速下的碰摩故 生整周碰摩装置,为减少转子圆盘磨损,定子用较软的 铝合金制作,支撑架用钢结构以增加定子刚度,通过更 换定子内套调节碰摩程度,见图5(a),模拟转子发生碰 摩时的振动情况。结果表明,转子发生碰摩时会激起 2X、3X等高倍频成分,出现1X/2、3X/2等1/2分数倍 频成分,有时亦出现1X/3、2X/3等1/3分数倍频成分。 随碰摩的加剧,频谱成分更复杂,分布范围亦更广。碰 摩较严重时会发生混沌现象,此时频谱是连续的。王 建峰等 假设转轴相对定子初始偏心只在竖直方向, 定子材质为较软的铝合金,通过移动定子下部楔形块, 调整转定子竖直方向间隙,模拟不同转定子偏心情况 下局部碰摩故障,见图5(b)。研究表明,低于1阶临界 转速时,随转速的升高依次出现1X/2、1X/3、1X/4系列 成分;碰摩由局部碰摩转向整周碰摩时,出现较“干净” 的1X及连续谱。曲秀秀等 设计的局部碰摩实验装 置见图5(C),定子内套采用铜套制作,铜套为非整圆 障,基于关联维数与Lyapunov指数分析系统碰摩过程 中出现的混沌运动。 图5的碰摩装置,其定子内表面采用圆柱形,通过 特定方式调整转定子间隙实现碰摩,与工程中的圆周 方向不定点碰摩较接近。现有研究多以小型转子系统 为对象,主要模拟刚性转子碰摩(转速低于l阶弯曲临 界转速)、柔性转子碰摩(转速高于1阶弯曲临界转速) 情况下,系统出现的典型故障特征及复杂非线性特性 (分岔、混沌等)。 定予 始 心 节 置 图5圆形整周碰摩 Fig.5 Full annular rub—impact devices 为方便调整转定子径向间隙,邓小文等 将定子 内环设计成倾斜度约5%的锥形筒,可沿转轴中心线往 小碰摩间隙会使系统在油膜涡动前产生碰摩,且系统 产生丰富的高频分量;而碰摩间隙较大时,碰摩在油膜 复移动,实验中转定子间隙可在0~5 mm间调节。采 用图6的碰摩装置,刘长利等 -4。 模拟简单转子系统 涡动后发生,此时碰摩对系统影响较小,轴承油膜力对 系统影响最大。陈宏 搭建双盘悬臂转子系统实验 台,对悬臂盘、中间盘分别进行碰摩故障实验研究发 现,对以碰为主的碰摩行为只出现2X、3X等高频成分, 且碰摩时位移具有突变特征;适当调整碰摩间隙后,会 局部碰摩故障,分析转子系统碰摩故障非线性振动特 征发现,对油膜力影响较小系统,转定子碰摩会使系统 产生半频及高频分量;而滑动轴承支承的转子系统,较 6 振动与冲击 2014年第33卷 e (a)力传感器布置图(b)碰摩前 (c)碰摩后 (d)转定子接触视图 图7整周碰摩装置 Fig.7 Rub—impact device suitable for full annular contact 转固有频率 ,若转频大于最大的 ,将激发IX、2X 及最大的 ,且 为一定值;若转频介于 i与 之 间,会出现扭转共振,即 等于转频;若转频小于 将激发 、IX、2X(或3X) 将随转频的增加而增大。 在实际转定子系统发生的碰摩故障中,亦会出现 自由转子与定子间碰摩。如电磁轴承断电时,转轴掉 落并与备用轴承内壁碰撞。AMB(主动电磁轴承)失效 后转子坠落在备用轴承上发生碰摩后动力学特性实验 研究结果的重复性较差。基于此,祝长生等 提出 能准确控制转子坠落位置方法。即采用AMB支撑的 柔性转子系统,研究转子工作转速、不平衡量及备用轴 承碰撞面的润滑条件等对AMB失效后转子系统瞬态 响应影响。研究结果表明,多数情况下AMB失效后转 子系统出现间隙圆底部摆动及整个间隙圆范围内碰撞 型回转运动。AMB失效后转子系统瞬态响应大小与转 子在AMB失效前振动、转子工作转速及备用轴承碰撞 面的润滑条件等密切相关。Fumagalli等 通过搭 建转子一轴承局部碰摩装置,模拟转子及石墨定子圆 环间碰摩,并通过力传感器测试转定子间接触力、接触 时间。Keogh等 基于小型转子实验台,采用电磁轴 承产生的电磁激振力模拟转子不平衡激振力,分析系 统在正常、不对中情况下,转子与备用轴承碰摩导致的 转子振动响应。研究结果表明采用电磁激振力模拟实 际转子的不平衡,可减少高转速下获得转子不平衡响 应的困难。 针对实际航空发动机双转子系统及涡轮增压转子 系统,晏砺堂等 引采用结构类似某型双转子发动机的 简化系统模型进行碰摩实验,考虑碰摩发生在高压转 子与机匣之间,通过测试机匣振动,分析双转子系统碰 摩故障特征。研究结果表明发生偏摩故障时,系统振 动响应除转子基频外,亦会出现多种倍频、分频及两转 子转速频率的多种组合频率。针对航空发动机涡轮机 匣结构特点,王四季等 设计出可模拟局部碰摩故障 的实验装置。利用对转双转子实验器,研究高、低压转 子对转时单独、同时发生局部碰摩时的振动特性。结 果表明对转双转子涡轮发生局部碰摩时,定子振动信 号中会出现高倍频、分数倍频及组合频率成分。杨金 福等 对某高速压气机涡轮转子结构空气循环制冷机 轴系进行非线性振动特性实验研究,分析轴系碰摩非 线性特征。实验结果表明临界转速下碰摩特征是转子 周期1的横向自由振动,且在碰摩瞬间轴颈被弹回导 致振动位移减小;低频耦合共振碰摩特征是转子呈现 准周期1的高低频叠加运动,低频振动幅值急剧增大 导致轴心运动存在严重削峰现象。 复杂转子系统较简单转子系统更接近实际,其中 涉及多跨转子系统碰摩,除关注典型碰摩特征外,亦关 注碰摩响应在转子间的传播能力、碰摩对扭转固有频 率的激发能力及对系统弯扭耦合振动影响,由于涉及 较复杂的扭转振动测试,目前研究较少。而对跌落转 子及备用轴承碰摩在电磁轴承领域已成研究热点。对 大型转子系统、双转子、涡轮转子等与工程实际较接近 的转子系统碰摩研究,亦愈受关注。 2.3.3旋转叶片一机匣局部碰摩 针xCDi-片一机匣局部碰摩,基于沈阳发动机研究 所航空发动机转子实验器,对叶片一机匣碰摩进行大 量实验模拟工作,并获得有价值研究结果。李勇 等_6。。 研究叶片一机匣两点碰摩与偏摩状态下叶片 载荷的测试方法,测试叶片在碰摩力冲击与摩擦作用 下振动特性,分析叶片与机匣所受冲击力载荷及频谱; 模拟转子系统在不平衡力及各种碰摩力作用下的故障 现象,测试并分析转子的振动信号,研究转子系统在故 障与正常状态下的相位变化。研究表明在稳定转速 下,转子相位差出现较明显变化,进一步证明转定子间 出现的碰摩现象。高艳蕾等 。。研究叶片一机匣间发生 偏摩情况时转子系统频率结构特征,结果表明发生偏 摩时,各阶(含倍频、分频)成分逐渐增多,倍频阶次越 低其振动幅值递增幅度越大;偏摩不仅带来丰富倍频, 在各倍频成分两侧亦出现相差15—3O Hz的频谱成分, 本文将其定义为“边频现象”。陈果等 亦采用航空 发动机转子实验台,模拟叶片一机匣局部碰摩故障,研 究结果表明在达临界转速前,碰摩产生的高次谐波较 大;在达临界转速后,碰摩产生的分数次谐波较大;支 承弹性增加,碰摩产生的倍频、分频现象减少;较大碰 摩刚度会导致更多倍频、分频,甚至出现混沌现象。于 明月等 提出基于机匣应变信号的航空发动机叶片一 机匣碰摩部位识别技术,结果表明沿机匣周向应变均 值特征可有效识别碰摩部位,且鲁棒性较好。Ahrens 等_6 通过模型实验研究叶片、机匣碰摩产生的接触力, 第6期 马辉等:转子系统碰摩故障实验研究进展与展望 7 确定侵人量与法向接触力间关系,测定叶片一机匣碰 摩过程中法向力与切向力时间历程曲线,研究摩擦系 数与转速间依赖关系。该碰摩实验在低转速下围绕直 板叶片进行,与实际叶片工作转速及结构差距较大。 为此,Padova等 酊 对发动机在工作转速下叶片一机 匣的碰摩问题进行实验研究,并针对不同碰摩侵入量 进行测试,测量叶片一机匣接触过程中碰摩力及叶片 动应力,分析碰摩导致的非线性特性。Groll等 建立 小型带悬臂盘片转子系统实验台,通过实验验证转子 叶片与机匣碰摩诱发的低频亚谐振动响应的发生机 理。研究表明转定子系统(忽略转定子间隙)的共振频 率与转速之比是影响系统频率结构的主要因素。 针对叶片与含可磨耗涂层机匣间碰摩的研究国内 未见报道。为验证单叶片与可磨耗涂层机匣间碰摩机 理,Rathmann等 设计出高速磨损实验台,考虑侵入 速率、周向速度影响,分析接触力、接触温度及试件磨 损情况。Millecamps等[加 通过专用实验台研究叶片与 可磨耗涂层机匣间碰摩现象,研究表明叶片与机匣间 接触状况(与摩擦热及涂层磨损等因素有关)对叶片的 振动特性影响较大。Padova等 研究叶片与两种涂 层材料(金属基涂层、copper/Teflon涂层)机匣间碰摩, 结果表明机匣涂层可减小碰摩载荷与叶片的动应力, 涂层材料磨损量高转速大于低转速;对copper/Telfon 软材料涂层,轻微、中度碰摩时碰摩力较小;严重碰摩 发生时,叶尖侵入到Teflon层会导致碰摩力较大。 Stringer等 基于高速模型实验台,通过对叶片影像与 扫描电镜的分析、涂层频闪观察,分析可磨耗涂层的磨 损机理。研究表明侵人速率对磨损机理影响较大,低 侵入速率较高侵入速率粘附及磨损现象更明显,且可 磨耗涂层的粘附主要由涂层“拉拔”并非传统“切割” 所致。 针对旋转叶片一机匣碰摩的实验研究,国内目前 多专注于故障诊断层面,前期主要关注于诊断碰摩故 障的有无、提取不同碰摩程度的故障特征,而后期则更 关注于诊断故障位置。国外注重碰摩机理研究,专注 碰摩局部特征,如碰摩所致叶片局部损伤、涂层磨损机 理等,而国内对此的实验研究尚存较大不足。 2.3.4实际机组转定子碰摩 訾艳阳等 以某电厂50 MW汽轮发电机组高压 缸转子碰摩为例研究表明,碰摩故障会使转子系统出 现周期2运动,即产生1 2系列频率。Gao等 对某 H型齿轮耦合压缩机组转子一轴承碰摩故障分析结果 表明,碰摩会致较大1X/2亚谐波成分出现,转子运动 呈反向涡动,通过减小轴承间隙、增加润滑油粘度、降 低油温、调整轴系问对中性,使轴系振动恢复正常。 Beattyl75]对实验转子系统、美航天飞机低压燃料泵的碰 摩分析后指出,碰摩会致高频成分(如2X、3X等)出 现,且2X幅值大于3X;超临界运转时可能出现亚谐失 稳而不会出现高次谐波,各谐波幅值与碰摩程度有关。 戈志华等 对某电厂200 MW机组发生的转定子碰摩 故障进行分析,结果表明碰摩较轻时,除出现2X、3X等 倍频分量外,亦出现大量低频成分;随碰摩的加剧,摩 擦力作用增强,低频分量减少;严重碰摩时出现nX/2 (n=1,3,5,7)分量及2X、3X等高次谐波。陆颂元 等l 通过分析秦岭电厂四号机组200 MW汽轮机组发 生转子与油挡碰摩频谱特征表明,回转机械径向碰摩 在同步、超同步区表现为同步振幅增大及出现高阶分 量。同步分量在约7 rain内增大两倍,2X分量同时增 加,3X、4X、5X分量出现并增加,此为碰摩的关键特征。 由实际机组出现的局部碰摩案例分析看出,碰摩 特征主要为高倍频成分(2X、3X等)及1X/2系列频率 (1X/2、3X/2)。随碰摩程度的增加可能出现反向涡 动、高频幅值增大等特征,该特征的出现与转速及机组 碰摩程度密切相关。 3整周碰摩故障实验研究现状 整周碰摩指转子在旋转过程中始终与定子接触且 接触位置沿定子整周运动的碰摩形式,即整周碰摩只 有摩擦效应而无碰撞效应 。整周碰摩为较严重的碰 摩阶段,在实际机组中较少出现,因而此实验研究较 少,现有研究多关注于干摩擦导致的自激振动。 转子一密封碰摩装置 图8转子一密封整周碰摩装置 Fig.8 Rotor—seal rub—impact device suitable for fu11 annular contact 戴兴建等 飓 设计出储能飞轮转子与限位器的 碰摩实验装置,完成转子与限位器局部及整周碰摩实 验。研究结果表明在激振扰动力幅度较小时,限位器 能有效限制转子系统大幅度低频反进动,同时碰摩冲 击会改变转子一支承系统的瞬间特性,从而制止低频 进动幅度的继续增加,碰摩间断发生、转子转速维持恒 定。局部碰摩转子响应F兀、谱除主要成分为激励频率 外,亦含因碰摩导致的分数倍主频、倍频及部分频段连 续分布频率,激励越大碰摩频度越高,频率分布越广。 激振力较大时,高频次碰摩冲击会引发整周碰摩运动, 8 振动与冲击 2014年第33卷 转子整周碰摩特征为低频反进动向高频正进动转换, 自转速度迅速下降,转子自转动能经摩擦转化为转子 轴心振荡动能,并伴随连续的摩擦耗散。Yu等 卜 J 基于图8转子一密封整周碰摩模拟装置,分析反向涡 4不同碰摩故障特征总结 由以上文献分析看出,在不同碰摩形式及程度下, 系统故障特征差别较大。对不同的碰摩形式而言,考 虑定子的辅助支承作用,均会使临界转速不同程度增 动整周碰摩的出现条件及故障特征,结果表明转子一 密封间隙小且无外载荷时,转子升速或降速过程经临 界转速附近时,可能出现干摩擦失稳;干摩擦失稳频率 保持恒定,其频率介于无密封临界转速与有密封临界 大;考虑定子的阻碍作用,时域波形均会出现不同形式 的“削波”现象。对单点碰摩、局部碰摩、整周碰摩三种 典型故障特征形式描述,见表1。 转速之间;密封刚度对失稳频率影响较大。 表1不同碰摩形式故障特征 Tab.1 Fault features under different rub-impact types 轻微 局部 碰摩 (1)与单点碰摩特征类似,低于1阶临界转速时系 统响应频率特征以高倍频为主,其幅值随频率升高依次 降低;超临界转速运转时会出现周期性分岔及异频伪共 (1)转子工作在1阶临界转速以下 振现象。 发生碰摩后振幅较碰摩前小;而转速高于 (2)对双转子的局部碰摩,除出现转子基频外,亦出 1阶临界转速时,碰摩后振幅较碰摩前大。 现多种倍频、分频及两转子转频的多种组合频率。 (2)发生碰摩时,转子相位差出现较 (3)对叶片、机匣的局部碰摩现象,会出现丰富的倍 明显变化。 频成分,在各倍频成分两侧亦出现“边频现象”;较大碰 (3)碰摩可激起扭转自振频率,扭振 摩刚度将导致更多倍频、分频现象,甚至出现混沌现象; 中无直接与工频振动相关的振动成分,碰 叶片一涂层机匣会激发叶片第1阶弯曲模态响应。 摩时扭转固有频率大于未碰摩时扭转固 有频率。 (1)出现nX/2(n=1,3,5,7)分量及2X、3X等高次 (4)碰摩会导致声发射信号出现伪 谐波,其中1X/2可作为严重碰摩标志。 正弦调制现象。 (2)严重碰摩也会出现涡动频率与旋转频率的和频 (5)转定子系统(忽略转定子间隙) 与差频,在某些转速下系统出现混沌现象,频谱为连续 共振频率与转速之比会导致系统出现不 谱;随碰摩的加剧IX、2X幅值增大;轴心轨迹可能出现 同的低频亚谐响应。 反向涡动; (3)高速转子中,主振动分量集中在系统共振频率 附近。 严重 整周 碰摩 (1)存在低频反进动向高频正进动转换现象,自转 速迅速下降,转子自转动能经摩擦转化为转子轴心振荡 动能,并伴随连续的摩擦耗散。 (2)转子一密封间隙小且无外载荷时,转子在升速 或降速过程经临界转速附近时,可能会出现干摩擦失稳 现象,干摩擦失稳表现为失稳频率保持恒定,其频率介 于无碰摩临界转速与碰摩临界转速之间,定子刚度对失 稳频率影响较大。 5结论 (1)据实际转子系统,基于动力相似原理,构建更 接近实际工程的缩比模型实验台,使实验台与模拟的 本文通过对国内外有关碰摩实验研究进展归纳、 总结,以期发现存在问题,促进该研究发展。结论 如下: 真实结构动力学特性相似;设计符合实际工况的转定 子碰摩及辅助测试装置,如真实密封、叶片等结构。 (2)利用先进的测试仪器(如力传感器、高速摄像 第6期 马辉等:转子系统碰摩故障实验研究进展与展望 9 机、遥测应变仪、激光位移传感器等)测试多种表征碰 ZHANG Ya,WANG Wei-min,YAO Jian-fei.Nonlinear dynamic behavior of a double—disk isotropic rotor system with 摩状态的定性、定量参数,如法向、切向碰摩力测量,影 像监测转子碰撞反弹过程,旋转叶片振动位移及动应 力等。通过实测数据,完成理论模型验证与修订,如对 axila and radial mb.impacts[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(12):141—145. 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