工作转速下大型转子系统碰摩二次故障耦合振动特性的研究

论文摘要

在石油化工生产过程中,为了减少能量损失,提高效率和经济性,机组轴系密封处,转子与定子之间的间隙通常控制得比较小,在机组运行中,一旦遇到某些故障,就会使轴系振动增大,以至发生碰摩；因此转子在正常使用条件下如果发生了碰摩,一般都是由于转子发生其它故障引起的,也就是说碰摩故障一般都会伴随着其它故障,是两种以上故障发生耦合,是多种激励引起的振动合成,但无论任何振动都与转子所受的力和转子系统的动刚度有关；而碰摩一旦发生,系统将会受到的两种力,第一种是在转子与静子刚刚接触时,动静件都会受到一个冲击力,冲击力引起局部变形和反弹运动,产生冲击振动,而第二种是在动静件接触时受到法向碰摩力和切向碰摩力,这种力则产生强迫振动；同时碰摩也能改变系统的刚度,从而造成系统临界频率的改变,碰摩这种引起转子系统力和动态刚度的变化使转子系统的动力学行为非常复杂,因此我们依据幅频特性和相频特性曲线研究了碰摩对转子系统振动响应的影响,但如果转子系统要产生分频振动,则转子转速必须达到一定的要求才行,为实现工作转速的碰摩故障诊断起到一定的作用。正常运行的转子系统的碰摩通常是由不平衡、转子系统松动和汕膜振动等故障所引发的二次故障,而不平衡振动是所有转子系统必然存在的,因此我们首先分析了在不平衡质量的影响下,转子与定子之间的全周碰摩的振动情况,通过理论与实验的研究,引入了判断碰摩不稳定的摩擦因子,我们得出在不平衡力的作用下转子正进动全周碰摩与反进动全周碰摩的边界条件,为避免反向全周碰摩提供了依据,同时也证明了在转子与定子之间如果存在润滑介质,则转子系统一般不会发生反向振动。其次针对转子系统在正常运行条件下,由油膜振动和转子系统松动下的转子碰摩故障问题,建立了含不平衡-流体振动-碰摩耦合转子动力学模型和不平衡-转子系统松动-碰摩的转子动力学模型,通过理论与实验数据的分析,得出其故障耦合机理,提取油膜振动和转子系统松动下的碰摩故障特征,利用轴心轨迹图、频谱图、三维瀑布图等方法,重点讨论转子系统参数对其信号的影响。通过理论和实验研究我们得出碰摩能够减小油膜振动和转子系统松动的作用,而对于油膜引起的碰摩,振动没有方向,而由松动引起的碰摩振动则具有明显的方向性。同时随着转子转速的增大,碰摩程度的增加,系统只出现同步振动,分频只有当转速达到一定要求时才会出现,而对于高频振动则很少出现,而且振动幅值比同步振动小得多。由于转子系统的碰摩故障是随机的,具有瞬时性,只通过FFT变化很难进行判断,因此采用了小波分析方法,然而如果只用小波分解来诊断故障,计算量大,有时会有一定的难度,因此我们首先通过FFT进行频率诊断,然后再利用小波分解进行碰摩故障的识别,可以大大缩短诊断的计算量和工作时间,为实际生产中识别二次碰摩耦合故障提供了有效方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 当前研究所存在的问题
• 1.4 本课题的研究内容
• 第二章 碰摩对转子系统振动响应影响的研究
• 2.1 引言
• 2.2 转子系统碰摩过程中的受力分析
• 2.2.1 碰摩类型
• 2.2.2 碰摩过程中受力分析
• 2.3 转子系统碰摩对静刚度的变化
• 2.4 碰摩对临界转速的影响
• 2.5 碰摩对倍频振动的影响
• 2.6 碰摩对亚同步振动的影响
• 2.6.1 碰摩产生亚同步振动分析
• 2.6.2 碰摩产生亚同步振动的理论研究
• 2.7 转子系统振动的合成
• 2.7.1 同方向同频率简谐振动的合成
• 2.7.2 同方向不同频率的简谐的振动的合成
• 2.7.3 互相垂直相同频率的简谐振动的合成
• 2.8 小结
• 第三章 转子碰摩实验台的设计
• 3.1 转子试验台
• 3.1.1 转子试验台简介
• 3.1.2 碰摩装置设计
• 3.1.3 转子实验台电机和调速器选择
• 3.2 数据采集系统
• 3.2.1 数据采集原理
• 3.2.2 数据采集卡
• 3.2.3 传感器的选择
• 3.2.4 电涡流位移传感器工作原理
• 3.3 信号处理系统
• 第四章 横向振幅较大时转子与定子全周碰摩振动特性实验与理论的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验研究
• 4.2.1 测验装置
• 4.2.2 同步进动碰摩
• 4.2.3 反向进动摩擦
• 4.2.4 不平衡质量的影响
• 4.2.5 旋转速度的影响
• 4.3 理论分析研究
• 4.3.1 数学模型
• 4.3.2 同步响应和稳定性
• 4.3.3 反向进动和稳定性
• 4.4 小结
• 第五章 油膜涡动作用下转子不平衡-碰摩耦合的振动特性理论与实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 引起流体自激振动的原因及振动特性
• 5.2.1 流体自激振动的原因
• 5.2.2 流体自激振动特性
• 5.3 流体涡动作用下转子系统稳定性分析
• 5.3.1 根轨迹图
• 5.3.2 非线性对转子稳定性的影响
• 5.3.3 刚度变化对转子稳定性的影响
• 5.3.4 阻尼变化对转子稳定性的影响
• 5.4 流体涡动作用下不平衡-碰摩转了系统动力学研究
• 5.4.1 流体涡动作下不平衡-碰摩转子系统动力方程
• 5.4.2 流体涡动作用下不平衡-碰摩转子系统稳定性分析
• 5.4.3 流体涡动作用下转子系统不平衡-碰摩振动耦合关系
• 5.5 流体涡动作用下不平衡-碰摩转子的实验研究
• 5.5.1 恒速条件下外界变化产生的流体涡动的振动特性
• 5.5.2 流体涡动作用不平衡-碰摩转子振动特性的研究
• 5.6 小结
• 第六章 转子系统松动-碰摩耦合振动特性的研究
• 6.1 引言
• 6.2 基础松动-碰摩耦合的振动特性
• 6.2.1 基础振动与转子振动的耦合关系
• 6.2.2 基础松动-碰摩耦合的动力学方程
• 6.2.3 基础松动-碰摩耦合的实验研究
• 6.3 转子部件松动-碰摩耦合的振动特性研究
• 6.3.1 转子松动对转子振动的影响
• 6.3.2 转子松动-碰摩耦合的动学学方程
• 6.3.3 转子松动-碰摩耦合实验数据的采集及分析
• 6.4 小结
• 第七章 转子系统二次碰摩故障的诊断方法与应用
• 7.1 引言
• 7.2 碰摩故障的诊断方法
• 7.2.1 时频分析
• 7.2.2 小波包分析
• 7.2.3 时频和小波分析联合应用
• 7.3 碰摩故障诊断实例分析
• 7.3.1 透平机的振动特点
• 7.3.2 透平振动的原因分析
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附录A1
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录