双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的稳定性

建立带有裂纹-碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究系统周期运动的稳定性及失稳规律.双跨裂纹转子系统以倍周期分岔形式失稳,双跨碰摩转子系统以Hopf分岔形式失稳,当裂纹较小时,裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统以Hopf分岔形式失稳;随着裂纹深度的加大,其影响逐渐显现,系统以倍周期分岔形式失稳,且失稳转速降低;耦合故障转子系统响应谱上存在半倍工频成分的整数倍频率成分.研究结果为转子-轴承系统耦合故障诊断和安全运行提供了参考.     

双跨松动—碰摩转子—轴承系统周期运动稳定性

建立带有支承松动—碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究系统周期运动的稳定性及失稳规律。双跨松动转子系统以鞍结分岔形式失稳,双跨碰摩转子系统则以Hopf分岔形式失稳,松动故障对松动—碰摩耦合故障转子—轴承系统稳定性的影响起主要作用,系统以鞍结分岔的形式失稳;在不同转速下,耦合故障转子—轴承系统会出现鞍结分岔、Hopf分岔和倍周期分岔等多种分岔形式。研究结果为有效识别转子—轴承系统的基础松动故障提供一定的参考。     

气浮轴承支撑下裂纹-碰摩转子系统动力学分析

建立了带有裂纹和碰摩耦合故障的气浮轴承支撑的弹性转子系统的动力学方程。将打靶法思想与四阶龙格库塔法结合,对转子系统由于气膜力、裂纹和局部碰摩故障导致的非线性动力学行为进行了数值模拟,借助分岔图、相图、Poincare映射和频谱图分析了转子系统的运动形态。研究结果表明,随着系统参数的变化,在特定的参数组合下系统存在周期、拟周期和混沌等复杂的非线性动力学现象。     

松动对碰摩转子-轴承系统非线性特性的影响研究

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转子与定子之间的相对滑动速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了含有松动和碰摩故障转子系统的动力学模型,对转子 轴承系统由松动和碰摩耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究,发现该类系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象,研究结果为转子 轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

局部碰摩与油膜力耦合作用下对轴承-转子-定子系统分叉与混沌行为的影响

以三个质量六个自由度轴承—转子—定子系统为力学模型,研究非线性碰摩力与油膜力耦合作用下轴承—转子—定子系统的分岔与混沌行为,利用计算机仿真对发动机转子的碰摩故障进行数值模拟,讨论转子系统参数的变化对转子混沌运动状态的影响,发现具有非线性碰摩力及油膜力的局部耦合作用下转子系统的各种多周期运动和混沌运动及其演变过程。     

双盘转子轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析

针对由于轴承不对中而引起不对中-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了考虑电机联轴器影响的双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型。基于非线性有限元方法,使用等效不对中力矩及接触理论研究了碰摩刚度和不对中角度两个重要参数对系统动力学特性的影响。通过对在不同碰摩刚度及不对中角度时系统动力学特性的研究分析,发现不对中-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且二倍频出现较早及其峰值会急速增大,这一特性可以作为诊断不对中-碰摩耦合故障的一个依据。     

含松动-碰摩耦合故障转子系统的动力学特性研究

建立了含松动及碰摩多重故障耦合的转子系统动力学模型。采用四阶Runge-Kutta法进行数值仿真，得到了转子系统周期分岔图、最大碰摩力曲线图、松动轴承支座振幅图以及相图和Poincaré映射图，重点分析了松动质量对系统动态特性的影响。研究表明，松动故障使得转子系统在较低转速进入碰摩运动；亚谐运动、概周期运动、混沌运动的转速区间增加，同时与之对应的最大碰摩力、松动支座振幅较大。较大的松动质量可以降低松动轴承支座的振动幅值，同时使得系统在低转速较长区间处于无碰摩的周期一运动，有利于系统在故障条件下处于稳定状态。     

发动机转子系统碰摩-裂纹-松动耦合故障作用下动力学特性分析

建立了滚动轴承支承下的双跨转子系统非线性动力学模型,采用四阶-五阶定步长Runge-Kutta法分析比较了系统在无故障、碰摩故障、裂纹故障、一端松动故障以及碰摩-裂纹-松动耦合故障5种工况下随着转速变化的转子动力学响应。数值分析了在碰摩-裂纹-松动耦合故障工况下转子不平衡量、碰摩刚度、松动端轴承座质量对系统响应的影响。结果表明:当系统存在碰摩故障时,一阶临界转速有所提高,动力学行为更为复杂;存在裂纹故障时,一阶临界转速有所降低;存在松动故障时,响应混沌区域变大;存在三种耦合故障时,超一阶临界转速响应出现大面积混沌。随着转子不平衡量、碰摩刚度的增大,响应趋向于混沌,松动端轴承座质量在高速下响应具有敏感性。     

双跨碰摩转子-轴承系统非线性动态响应与混沌

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型。对系统单盘和双盘碰摩的非线性动力学响应进行了数值仿真研究,发现该类系统在单盘碰摩时进入混沌的道路是倍周期分岔,离开混沌的道路为倍周期倒分岔,混沌运动区域为一体;双盘同时碰摩时,混沌运动区域中出现了2个明显的独立混沌岛。偏心量的增大,会使得系统响应更加不稳定。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

含松动与碰摩的转子-轴承系统非线性行为分析

以含松动与碰摩的转子-轴承系统为研究对象,采用一种新的短轴承非稳态油膜力公式和非稳态油膜转子-轴承系统碰摩的刚性约束非光滑模型建立系统的动力学方程,利用4阶Rounge-Kutta法求解非线性动力学方程,运用Mat-lab对系统进行数值模拟,通过分析相图、分岔图、Poincare截面图以及幅值谱图,得出系统丰富的非线性特性。结果表明含松动与碰摩的转子-轴承系统在工作转速较低时,轴承支座作微幅振动,随着转速增加,振动幅度也增加,在高速运转下系统处于混沌运动状态;含松动与碰摩的转子-轴承系统中松动端轴承支座在拟周期和混沌运动状态下的轴心轨迹松散,呈“柱状”结构,而未松动端在相同状态下轴心轨迹图结构紧凑,由此可以判断转子-轴承系统的松动故障。     

Stability of periodic motion on the rotor-bearing system with coupling faults of crack and rub-impact

A dynamic model was set up for the rotor-bearing system with coupling faults of crack and rub-impact. Using the continuation-shooting algorithm for periodic solution of nonlinear non-autonomous system, the stability of the system periodic motion was studied by the Floquet theory. The saddle-node bifurcation, periodic-doubling bifurcation and the Hopf bifurcation were found. There are peculiar dynamic characteristics of the rotor-bearing system with coupling faults of crack and rub-impact that differs from single fault. The conclusions provide theoretic basis reference for the failure diagnosis of the rotor-bearing system with coupling faults of crack and rub-impact fault.     

Dynamic characteristics of multi-degrees of freedom system rotor-bearing system with coupling faults of rub-impact and crack

Extensive studies on rotor systems with single or coupled multiple faults have been carried out. However these studies are limited to single-span rotor systems. A finite element model for a complex rotor-bearing system with coupled faults is presented. The dynamic responses of the rotor-bearing system are obtained by using the rotor dynamics theory and the modern nonlinear dynamics theory in connection with the continuation-shooting algorithm（commonly used for obtaining a periodic solution for a nonlinear system） for a range of rub-impact clearances and crack depths. The stability and Hopf instability of the periodic motion of the rotor-bearing system with coupled faults are analyzed by using the procedure described. The results indicate that the finite element method is an effective way for determining the dynamic responses of such complex rotor-bearing systems. Further for a rotor system with rub-impact and crack faults, the influences of the clearances are significantly different for different rub-impact stiffness. On the contrary, the influence of crack depths is rather small. The instability speeds of the rotor-bearing system increase due to the presence of the crack fault. The results obtained using the new finite element model, presented for computation and analysis of dynamic responses of the rotor-bearing systems with coupled faults, are in accordance with measurements in experiment. The formulations given can be used for diagnosis of faults, vibration control, and safe and stable operations of real rotor-bearing systems.     

不对称润滑对碰摩转子-轴承系统的动力学影响

在考虑非线性油膜力的基础上,建立了具有碰摩故障的转子-轴承系统的动力学模型。用数值方法研究了在非线性油膜力作用下具有碰摩故障的转子系统的动力学特性,并研究了当改变其中一个支承轴承润滑油的粘度时,转子系统的动力学特性。研究发现,随着一轴承润滑油粘度的降低,转子系统亚临界角速度区的混沌区域和拟周期区域扩大了。该结果为采用不同粘度润滑剂的转子-轴承系统的优化设计、安全运行和故障诊断等提供了一定的理论参考     

基于改进EMD的旋转机械耦合故障诊断方法研究

提出一种基于改进EMD的旋转机械耦合故障诊断方法。该方法结合相似极值延拓和加余弦窗函数运算的优点,解决了延拓部分不精确和加窗函数后使原信号发生改变的问题,提高了EMD方法的运算精度。应用该方法对存在裂纹碰摩故障的转子－轴承系统振动信号进行了特征提取,并进行了故障诊断,与单一故障特性相比,诊断出的振动信号既有裂纹引起的高频成分,也有碰摩引起的低频成分,得到的耦合故障特征证明了该方法的有效性。     

不对称润滑工况下碰摩转子-轴承系统的动力学分析

在考虑非线性油膜力的基础上，建立了具有碰摩故障的转子一轴承系统的动力学模型。研究了具有碰摩故障的转子在两支承轴承使用相同和不同粘度润滑剂时的动力学行为，发现随着一端轴承润滑油粘度的降低，转子的混沌区域和拟周期区域扩大了。该结果为采用不同粘度润滑剂的转子一轴承系统的故障诊断提供了依据。     

松动-碰摩耦合故障转子系统振动特性分析

针对动态油膜力下带有支座松动 碰摩耦合故障的转子 轴承系统的非线性动力学模型,采用数值模拟等方 法,考察其随转速比变化及改变最大松动间隙值时发生松动和碰摩故障的分岔与混沌特性,并分别与相同参数条件 下带有支座松动故障的转子系统和碰摩故障转子系统进行比较,得到如下结论:该耦合故障系统中碰摩与松动故障 主要发生在主共振区、油膜振荡区及转速比大于3.4的转速范围内,发生碰摩故障时系统运动多为混沌运动;随着 松动最大间隙值的减小,碰摩的转速范围越来越大,而发生松动的转速范围越来越小;两种故障的产生相对独立。     

非线性弹性碰摩转子周期运动稳定性分析

在同时考虑轴承油膜力、转轴非线性弹性力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了具有碰摩故障转子-轴承系统的动力学模型。利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究了系统周期运动的稳定性,分析了非线性摩擦力对系统动力学特性的影响。     

基于轴心轨迹形态的转子裂纹故障分析与诊断

基于转子系统轴心轨迹的形态分析,提出一种对多故障中的裂纹故障进行初步诊断的简便方法。通过对转子系统1/2临界转速附近的轴心轨迹形态分析,表明在1/2临界转速附近,裂纹-碰摩双故障转子系统轴心轨迹的内环形状随着转速的变化而改变,内环的偏置方向也随转速旋转一定角度。在碰摩转子系统中,其1/2临界转速附近的轴心轨迹形态与裂纹-碰摩双故障转子有明显区别。多故障系统轴心轨迹的形态分析为对其中的裂纹故障进行初步诊断提供了新方法,使转子故障诊断效率得到提高。同时结合分岔图及频谱图对不同转子系统的动力学响应进行了分析,利用Bently转子实验台对裂纹转子系统的轴心轨迹进行了实验验证。     

Dynamics analysis of a cracked dual-disk over-hung rotor-bearing system

A dynamic model of a dual-disk vertical over-hung rotor-bearing system is developed, taking into account nonlinear oil-film force. Its dynamic behaviors are investigated by numerical Runge-Kutta method. Its bifurcation and chaos characteristics are analyzed with crack fault and without crack fault. By analyzing the bifurcation plot, Poincare section plots and amplitude spectra, we found that the crack greatly influences the dynamic characteristics of the rotor-bearing system. Because of the strong effect of the nonlinear oil-film force and crack to the system, 1/2 times, 1/3 times frequency components appear in the response spectrum map. The results may bring up theoretical references for fault diagnosis of rotor-bearing systems. __________ Translated from Journal of Vibration Engineering, 2005, 18(1) (in Chinese)