转子—滑动轴承系统松动—碰摩耦合故障分析

2023.02.23

刘杨李炎臻太兴宇董丽媛闻邦椿

摘要：针对转子滑动轴承系统发生松动故障进而引发松动碰摩耦合故障的诊断问题，基于非线性有限元方法，应用非线性短轴承油膜力模型、松动刚度模型及Hertz接触理论建立双盘松动碰摩耦合故障转子滑动轴承系统的动力学模型。首先，研究并分析了滑动轴承（油膜力）支撑下的健康转子系统的动力学特性；进而，通过对不同转速下耦合故障转子系统动力学特性的研究发现，滑动轴承支撑下的松动碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主，时域波形呈现下密上疏的波动形状，轴心轨迹表现为多个嵌套的“半椭圆形”，这些故障特征可以作为诊断滑动轴承（油膜力）支撑下松动碰摩耦合故障的一个理论依据。

关键词：故障诊断；螺栓松动；碰摩；双盘转子；油膜力

中图分类号： TH165+.3 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2016）03-0549-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.022

引言

油膜振荡是滑动轴承转子系统中常见的现象。旋转机械中的油膜振荡会使轴系振幅急剧增大，容易引发轴承座与基础间的螺栓松动，进而引起转子与定子间的碰撞与摩擦，使其出现周期性的碰摩现象，这对机组的安全运行产生了直接影响。因此，为了提高旋转机械的工作稳定性与安全性，研究转子滑动轴承系统松动碰摩耦合故障复杂的动力学特性及其演变规律具有重要的意义。

近些年来，对于油膜振荡引起的失稳、松动和碰摩等耦合故障问题的研究一直是国内外相关学者关注的重大课题。褚福磊[1]等研究了基于短轴承油膜力模型的转子与定子发生弹性碰摩的动力学行为，分析后发现其具有明显的分叉与混沌运动现象。刘长利[2]对松动碰摩耦合故障转子轴承系统周期运动的稳定性进行了研究，分析了系统在不同参数域内分岔集的变化情况。陈果[3]通过对松动与碰摩故障耦合时转子系统响应特征的研究发现，松动故障会导致系统的振幅突然增加并产生混沌运动。Agnes Muszynska[4]研究了具有基座松动及转静子碰摩故障的转子系统非线性动力学行为，并结合转子系统的振动特性进行了相关实验。苏长青等[5]采用短轴承非稳态油膜力模型，研究了存在碰摩和支座松动耦合故障转子系统的随机响应问题。罗跃纲等[6]研究了具有松动碰摩耦合故障双跨转子轴承系统的周期运动过程，指出转子系统的响应以混沌运动为主。本文运用有限单元法建立了油膜力支撑下的松动碰摩耦合故障双盘单跨转子系统动力学模型，使用Newmarkβ迭代数值求解方法来获取故障转子系统相应节点的激励响应结果；并基于非线性短轴承油膜力模型和松动刚度模型理论研究并分析了在不同转速条件下，松动碰摩耦合故障转子滑动轴承系统周期运动的相关特性，为转子滑动轴承系统的耦合故障诊断提供了理论参考。

3 结论

（1）健康转子系统在滑动轴承（油膜力）支承下，随着转速的提高，油膜涡动现象逐步显现，倍频及分频谐波系列成分较为丰富，并且分频逐渐取代转频成为主频，油膜振荡现象加剧。当转子系统发生松动碰摩耦合故障时，由于松动刚度和碰摩力的共同作用，油膜失稳现象被抑制；此时，随着转速的增大，系统碰摩现象加剧，逐步由周期1运动分岔进入周期N运动状态。

（2）通过研究在不同转速条件下转子系统的动力学特性后发现，滑动轴承（油膜力）支撑下的松动碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主，频率成分较为丰富，转频长时间作为主频，时域波形呈现下密上疏的波动形状，轴心轨迹表现为多个嵌套的“半椭圆形”，这些故障特征可以作为诊断滑动轴承（油膜力）支撑下转子系统松动碰摩耦合故障的一个理论依据。

参考文献：

[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] 刘长利，姚红良，罗跃纲，等. 松动碰摩转子轴承系统周期运动稳定性研究 [J]. 振动工程学报， 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] 陈果. 含不平衡碰摩基础松动耦合故障的转子滚动轴承系统非线性动力响应分析 [J]. 振动与冲击， 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] 苏长青，张义民，赵群超. 带有支座松动故障的转子轴承系统碰摩的可靠性分析 [J]. 工程设计学报， 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] 罗跃纲，杜元虎，任朝晖，等. 双跨转子轴承系统松动碰摩耦合故障的非线性特性 [J]. 农业机械学报， 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] 姚红良，刘长利，张晓伟，等. 支承松动故障转子系统共振区动态特性分析 [J]. 东北大学学报（自然科学版）， 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] 韩清凯，于涛，王德友，等. 故障转子系统的非线性振动分析与诊断方法 [M]. 北京：科学出版社， 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] 杨金福，杨晟博，陈策，等. 滑动轴承转子系统的稳定性研究 [J]. 航空动力学报， 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.