直裂纹转子系统呼吸效应与振动特性研究

旋转机械振动的基本特性

旋转机械振动的基本特性 概述 绝大多数机械都有旋转件，所谓旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，尤其是指主要部件作旋转运动的、转速较高的机械。 旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部件有转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几十到几万、几十万 转。 故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机器运行失稳，产生异常振动和噪声，工作转速、输出功率发生变化，以及介质的温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息也不一样，根据这些特有的信息，可以对故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，一般都是多种因素共同作用的结果，所以对设备进行故障诊断时，必须进行全面的综合分析研究。 由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因和运行操作方面的失误，使得机器在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据。 从仿生学的角度来看，诊断设备的故障类似于确定人的病因：医生需要向患者询问病情、病史、切脉（听诊）以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断，也应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障症兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，才能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措施。 ^WWWWWVWWWIWWVWWWVWWWWWWWWWIHWMVWWWVWWWMWWWWWWIWWhVWWWWWWWWBWWVWWMWWWHIWW^'.a'tn'.- 根据故障原因和造成故障原因的不同阶段，可以将旋转机械的故障原因分为几个方面，见表1。

含凸轮机构的机械系统的振动控制研究综述_姚燕安

设计领域综述 SUMMARIES OF DESIGNING DOMAINS 含凸轮机构的机械系统的振动控制研究综述 姚燕安　张　策(天津大学机械系　300072) 1　引言 工业界对于生产率的追求是无止境的,自动化、高速化日益成为现代机械的发展趋势。大量的自动化机械要求实现复杂及精确的位置控制,凸轮机构由于其优良的工作性能而被广泛地用作定位机构。在高速下保持高精度、低噪音是衡量自动化机械产品质量的重要指标,成为制约机械运转速度提高的关键问题。在这方面我们与国际先进水平相比,还有相当差距。工业发达国家弧面分度凸轮机构的转速已达1600r/min,而我国只达到600r/min左右。 因而,对于含凸轮机构的机械系统的振动、尤其与定位精度直接相关的残余振动,必须采取有效的方法予以抑制或消除。抑制凸轮机构振动的方法,按照减振原理可以分为动态设计与振动控制两大类。首先,对前者予以简要评述;然后,重点评述后者的分类、原理以及研究现状;最后,综述并展望凸轮动力学的发展趋势。 2　动态设计 抑制机构振动响应的一个基本方法是进行动态分析与设计。从本世纪五十年代开始,在凸轮机构动力学方面作了许多卓有成效的工作。到八十年代中期,凸轮机构线性系统动力学的建模、分析与综合的理论已经趋于成熟,并成功地应用于指导工程设计。文献C4、H2、K3、N1、S4、T2代表了这一期间的研究成果。八十年代以后,凸轮机构动力学模型继续趋向精细化,计及阻尼、间隙等各种复杂因素的非线性系统动力学建模理论逐渐发展起来[C1,C2,H1,P1,P2]。值得注意的是,各种相关学科的新理论相继被借用到凸轮机构动力学的研究中来,如柔性多体系统动力学理论、弹性接触理论、概率分析理论等[X1],极大地丰富了凸轮动力学的研究手段。然而,迄今为止凸轮机构的非线性系统动力学研究并未取得突破性的进展,其原因主要在于如下几个方面的因难: (1)各种非线性因素的作用机理尚不十分清楚 研究已经证明,阻尼对于凸轮机构的振动,尤其是残余振动有显著的影响[C4]。但是,阻尼特性的精确估计还有赖于摩擦学、弹性接触力学、流体力学等学科理论的进展。目前,在相当程度上还依赖于研究者的经验,很难得出一般性结论。 考虑运动副间隙的机构动力学问题,在连杆机构领域的研究进展已经较为深入[L2]。研究结果表明,运动副间隙将明显地加大机构的振动、噪音和磨损。但是,仍有大量的基础理论问题需要研究和解决。凸轮机构含间隙动力学的分析是由Win-f rey[W2]开始的,以后的研究工作则非常有限[K4,O1,Z1],表明了这一问题的复杂性。 (2)非线性动力学理论的引入有待深入 近年来,在非线性动力学理论研究方面(如分叉与混沌)取得了突破性的成果[C7]。精确地讲,多数机械系统都是复杂的非线性系统。其动力特性的精确分析迫切需要引入非线性动力学理论作为指导。然而,由于数学理论的高深、可操作性差,以及机构学者的非线性动力学知识相对欠缺等原因,机械系统非线性动力学理论的进展十分缓慢。另一方面,非线性动力学理论本身也尚不完备,还有众多的难点问题没有克服,限制了它在机械工程领域的应用[H3]。 1 《机械设计》1997№8 设计领域综述 1997-04-07收到稿件。

机械系统的振动同步_控制同步与复合同步

文章编号:1006-754X(1999)03-0001-05 机械系统的振动同步、控制同步与复合同步 闻邦椿,赵春雨,宋占伟 (东北大学,辽宁　沈阳110006) 摘要:　近十多年来,在机械工业的各个部门,振动同步与控制同步得到了广泛的应用。本文介绍该领域在近期内的发展和主要研究成果,即双机及多机系统的振动同步、双机机械系统的控制同步、定速比控制传动、复合同步、多机系统的控制同步及多个液压油缸的控制同步等,并给出了计算机仿真的若干成果。 关　键　词:　机械同步;控制同步;复合同步 中图分类号:TH113.2 文献标识码:A The Application and Development of Synchronization Theory in Mechanical System WEN Bang2chun,ZHAO Chun2yu,Song Zhan2wei (Northeastern University,Shenyang,Liaoning,China　110006) Abstract:　In recent ten years,vibration synchronization and controlled synchronization have been widely used in mechanical engineering.In this paper,the recent development and main research results in this field is introduced,i.e.vibration synchronization,controlled synchronization and complex synchro2 nizationand the computer simulation results are given. K ey w ords:　self2synchronization;vibration synchronization;controllde synchronization;varide structure complex control;phase monitor control;emulator network;fuzzy control 1　引言 机械工业部门中应用的许多机械设备,要求其中的两个或两个以上的工作部件,如转轴、机构、杆件、油缸活塞等有相同的速度、位移、加速度、相位及作用力等。这类机械有双激振器式振动给料机、振动输送 收稿日期:1999-06-20 作者简介:闻邦椿,1930年生,现为东北大学机械工程与自动化学院教授,博士生导师,中国科学院院士,在机械动力学、转子动力学、非线性振动理论与应用、机械系统故障诊断、机械系统控制理论等方面进行了大量的研究工作,取得了显著的研究成果;赵春雨,1963年生,1997年9月在东北大学获博士学位,现为东北大学机械工程与自动化学院副教授,主要研究领域有多电机传动机械系统同步控制、自适应控制、智能控制和机械系统动力学等;宋占伟,1962年生,工学博士,东北大学机械工程与自动化学院副教授,博士后,研究方向为机械及液压系统电子控制,智能控制。机、振动筛、振动冷却机、振动打桩机、同步轧机、拉伸式矫直机、双滚筒驱动的带式输送机、辊式破碎机、造纸机、煤球机、桥式与龙门起重机、液压顶升机、飞剪机以及水坝和船坞的闸门等。 研究该类机器的同步理论,以保证机器在最佳或较优状态下工作,这是研究工作的出发点。机械系统同步理论及实现方式的研究和发展大致可分为以下四个阶段。 第一代同步方式:刚性传动(如齿轮传动)或柔性(如链或带传动)传动实现同步; 第二代同步方式:振动同步(对于双激振器振动机)或电轴同步(对一般机械); 第三代同步方式:传统的控制同步或控制同步与振动同步相结合的复合同步; 第四代同步方式:多机系统的广义智能控制同步。

转子故障振动机理分析

转子故障振动机理分析 转子故障引起振动有许多形式, 现对其中的几个典型振动故障产生的原因及其对应的振动机理进行如下分析: 1.转子不平衡故障及振动机理分析 转子不平衡包括转子系统的质量偏心及转子部件出现缺陷;转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材料不均匀等原因造成的，称为初始不平衡。转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、脱落、碎片飞出等，造成的新的转子不平衡。转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其不平衡振动机理却有共同之处。 振动机理分析:旋转过程中,转子产生不平衡离心力与力矩通过支承点作用在轴及轴承上,引起振动.设转子质量为M（包括偏心质量m），偏心距e，旋转角频率w=2 f（v f为 v 转动频率），在t瞬时位移在直角坐标系分量x，y，如图6-3所示，则可得转子中心运动微分方程为 图6-3 转子力学模型

则有 以上几式中的K可以近似简化为机器的安装总刚度，M为机器的总质量，为K和M构成的振动体的无阻尼固有频率。为无量纲阻尼因子，它的取值不同，会影响到系统 的响应，是激励频率与固有频率之比，也是无量纲因子。根据上式，按不同的频率比和阻尼系数的变化，作出幅频响应图及相频响应图，如下图所示： 图6-4 幅频响应图及相频响应图 转子不平衡所引起振动有下列特点:振动方向为径向,振动的特征频率等于转频;转子的轴承均发生较大的振动;在转子通过临界转速时振幅有特别显著的增大;在高速下随转轴转速上升振动很快增大;振动频率与转速相等且为正弦波;在没有带负荷时振动就达到最大值. 2.转子不对中故障振动机理分析 机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转动。由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平

旋转机械常见故障

旋转机械常见故障 1. 转子质量不平衡 转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振动故障，它约占故障总数的80%。 转子质量不平衡的一般特征 （1）量值上，工频振幅的绝对值通常在30μm以上,相对于通频振幅的比例大于80% （2）频振幅为主的状况应该是稳定的，这包括： 1) 各次启机 2) 升降速过程 3) 不同的工况（负荷，真空，油温，氢压，励磁电流等） （3）工频振动同时也是稳定的 1.1原始质量不平衡 原始质量不平衡指的是转子开始转动之前在转子上已经有的不平衡。它通常是在加工制造过程中产生的，或是在检修时更换转动部件造成的。这种不平衡的特点除了上面介绍的振幅和相位的常规特征外，它的最显著特征是“稳定”，这个稳定是指在一定的转速下振动特征稳定，振幅和相位受机组参数影响不大，与升速或带负荷的时间延续没有直接的关联，也不受启动方式的影响。具体所测数据中，在同一转速下，工况相差不大时，振幅波动约20%，相位在10°～20°范围内变化的工频振动均可视为是稳

定的。 1.2松动 发生松动的部件可能有转子线圈.槽楔.联轴器等。这类松动包括设备底脚、基础平板和混凝土基础强度刚度不够，出现变形或开裂，地脚螺栓松动等。这类松动的振动频谱中占优势的是工频(或转速频率)，这与不平衡状态相同，但振动幅值大的部位很确定，有局限性，这点与不平衡或不对中情况不同。另外，还要进一步比较各方向之间的相对幅值，观察它们的相位特性。如轴承座水平与垂直方向振幅、相位差，这类松动的振动具有方向性，在松动方向振动较大，如垂直方向振动远大于水平方向，水平和垂直方向相位差为0°或180° (而不平衡故障中水平和垂直方向相位差约为90°)。 详见《振动故障松动》pdf文档 1.3 部件缺损、飞脱 振动发生转动部件飞脱可能有叶片、围带、拉金以及平衡质量块。飞脱时产生的工频振动是突发性的，在数秒内以某一瓦振或轴振为主，振幅迅速增大到一个固定值，相位也同时出现一个固定的变化。相邻轴承振动也会增大，但变化的量值不及前者大。这种故障一般发生在机组带有某一负荷的情况。 1.4 转子热弯曲 转子热弯曲引起的质量不平衡的主要特征是工频振动随时间的变化，随机组参数的提高和高参数下运行时间的延续，工频振幅逐渐增大，相位也随之缓慢变化，一定时间内这种变化趋缓，基本保持不变。

汽轮机转子振动分析与处理

汽轮机转子振动分析与处理 发表时间：2018-09-12T11:22:41.650Z 来源：《基层建设》2018年第21期作者：马玉清[导读] 摘要：在工业生产中，汽轮机作为重要的旋转设备，是必不可少的机械设备。 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨 150046 摘要：在工业生产中，汽轮机作为重要的旋转设备，是必不可少的机械设备。其中汽轮机转子是汽轮机的主要零部件，其安全性、可靠性、适用性以及可维修性特点受到人们的关注。在汽轮机转子运行过程中，发生的振动信号是判断汽轮机工作状态的重要指标，更是影响机械设备运行安全与操作人员人身安全的因素，因此对汽轮机转子运行故障分析及诊断的研究工作迫在眉睫。 关键词：汽轮机；转子；运行故障；分析与诊断汽轮机运行过程中，转子在高温工质中高速运转，不但要承受叶片、叶轮等带来的巨大离心力，同时受到蒸汽轴向推力、轴系振动力、扭转力矩等多重应力影响，在这样复杂的工况下，发生转子振动故障的概率相当高，因此加强汽轮机转子振动故障的分析及处理，对保障汽轮机安全稳定运转具有重要现实意义。 一、汽轮机转子运行故障类型 在汽轮机转子运行过程中，振动信号发生是转子发生故障的前提表现，对此应在汽轮机转子运行过程中，对其振动信号进行准确测量，为了更好地判断汽轮机转子运行故障类型，对其进行分类阐述。振动频率：基频振动、倍频振动、整分数基频振动、比例基频振动、超低基频振动以及超高基频振动；振幅方位：横向振动（水平振动和垂直振动）、轴向振动与扭转振动；振动原因：转子平衡度较差、轴系不对称和零件松动、摩擦（密封件摩擦、转子和定子之间产生的摩擦）、轴承损坏、轴承内部油膜涡动与油膜振动、动力和水力的影响、轴承刚度较差、电气等；振动部位：转子和轴系振动（轴颈、轴纹叶片）、轴承（油膜滑动和波动）、壳体振动与轴承座振动、基础振动（基座、工作台、支架）、其他结构振动（阀门、阀杆、管道等）。 二、出现故障的原因分析 1.设计制造因素 由于在汽轮机中，转子一直是处于高速运转的过程中，如果是在生产制造的过程中出现问题，就会使得转子在运行的过程中，其质心和几何中心没有重合在一起，并且由于转子在运行的过程中处于高速运转的过程中，这样就会产生一个离心力，离心力主要是通过旋转中心线的静止平面上进行投影，这是一个周期性的简谐外力，如果在这个时候进行强迫振动，这就会使得汽轮机转子的振动出现加剧现象。并且由于在运行的过程中，由于现代汽轮机的制造为了提高汽轮机工作的效率，因此汽轮机动静之间的间隙十分小，所以这就使得汽轮机在高温高速运行的过程中，很容易使得转子产生振动现象，并且由于汽缸在运行的过程中出现受热不均匀的现象，这样就会使得汽缸出现变形，加剧了转子振动，严重的时候就不断的产生循环，最终就导致故障的产生。 2.安装及检修因素 汽轮机转子通过联轴器相互连接起来，转子两头均有轴承提供支撑，共同构成转子轴系。若安装时两转轴中心未精确调整到同一直线上，则汽轮机运行时会因转子不对中而发生振动。转子之间如果通过刚性联轴器相连，在对轮结合面处会形成很大的张口，此时如果用连接螺栓将转子强行连到一起，会发生静止绕曲变形，在转子上生成附加连接约束力，导致转子振动。此外，滑销系统对汽轮机组膨胀具有重要的引导功能，若因各种因素导致滑销系统卡涩，就会影响机组的正常膨胀，严重时会使机组发生强烈振动，甚至出现无法启动的情况。 3.运行因素 （1）转子弯曲。汽轮机转子如果存在材质不均匀的情况，在高速运转受热后会发生弹性热弯曲，导致不可逆形变；汽轮机启动时，如果盘车或暖机不充分，上下缸温度差异大，转子横截面内温度场分布不均，也会因弹性热弯曲而出现不可逆形变。 （2）机组启动。汽轮机从启动到正常运转的这段时间内，各金属构件及管道导热均处于一个不稳定的状态，期间容易受到各种机械应力、热应力的作用而产生振动、形变以及复杂的热膨胀效应。此外，机组冷态启动与热态启动的操作步骤存在差异，若人为混淆可能导致机组强烈振动。例如，某厂一660MW汽轮机组在冷启动时，操作人员未待缸体充分膨胀便过早结束低速冲转，导致机组在通过临界转速时发生剧烈振动，最后突破阀值而发生跳机。 （3）润滑油温。油温与轴瓦间油膜的形成息息相关，而油膜对转子稳定性具有至关重要的影响。油温过高会导致润滑油粘度下降，不利于轴瓦内油膜的形成，进而引起转子系统干摩擦。温度过低会导致润滑油粘度超标，引起油压下降，进而引起转子振动的加剧。 三、解决故障的措施 1.提高安装精度 （1）轴系连接要尽量做到平直、同心。转子水平放置时，会由于自重作用而产生微弱的静挠曲，故转子安装完之后，应确保各转子轴线构成一平滑的曲线，否则会导致轴承本身负载的不一致，降低转子运行的平稳性。在实际安装过程中，应根据轴承的具体方位来确定曲线的实际方位，务必使整个转子呈一连续的光滑曲线。 （2）精确安装轴承。汽轮机组中使用了很多的可倾瓦轴承，这类轴承的特点是稳定性极强，并且可以有效地缓解油膜振动。在安装过程中，应确保轴承盖与轴瓦之间的紧力满足设计要求。 （3）提高轴承座安装精度。轴承座安装应当结合图纸要求及相关规范进行严格把关，根据实际需要，安装时可予以多次测量，求得加权平均值。同时应注意，轴承座几何中心应与轴颈承力中心保持重合。 （4）精确安装滑销系统。正常情况下，机组运行时会由于高温、高压作用而发生缸体膨胀，通过正确安装花销系统，合理调整系统的间隙，能够将缸体膨胀控制在一定范围之内，降低对机组造成的影响。 2.减少摩擦力的产生 汽轮机在运行的过程中，想要使得转子在运行的过程中减少摩擦力，因此这就需要我们要使用压力以及湿度符合相关要求的润滑油，并且在使用的过程中还需要降低润滑油的粘度。这主要是由于润滑油的粘度不断增加的话，那么就会使得油膜的承载力不断的增大，但是如果我们一直增加润滑油的粘度话，就会使得其均匀分布受到了破坏，这样反而就极大的增加了摩擦力。 3.对转子进行动平衡检查

汽轮机振动异常原因分析及解决方法

汽轮机振动异常原因分析及解决方法前言 汽轮机的振动大小，是评价汽轮机组运行可靠性的重要指标。对于高速转动的汽轮机来说，微小的振动是不可避免的，振动幅度不超过规定的标准属于正常振动。对汽轮机的运转没有影响，但是当振动超过规定限值时，对整个汽轮机组的运行是有害的，表明机组内部存在缺陷。本文所分析的就是这种振动过大的异常振动产生的原因和减小振动的方法。 一、汽轮机振动过大的危害 汽轮机组振动过大，会使机组内部部件的连接松动，基础台板和基础之间的刚性连接削弱，或使机组的动静部分发生摩擦，造成转子变形、弯曲、断裂，甚至是叶片损坏。当机头发生振动时，可能直接导致危机保安器动作，造成停机事故。当汽轮机动静叶片由于过大的振动而发生相对偏移时，会造成高低压端部轴封发生不正常磨损。低压缸端轴封的磨损破坏轴封的密封作用，使空气被吸入负压状态下的低压缸，破坏凝汽器的真空，直接影响汽轮机组的经济运行。高压缸端轴封的破坏会使高压缸的蒸汽大量向外泄露，降低高压缸做功能力，甚至会引起转子发生局部热弯曲。泄露的高压蒸汽如果进入轴封系统的油档中，使润滑油内混入水分，造成油膜失稳，也可能产生油膜振荡，造成轴瓦乌金熔化。当过大的振动造成轴弯曲时，可能使发电机滑环和电刷的磨损加剧、静子槽楔松动、绝缘被破坏，造成发电机或励磁机事故。当过大的振动造成某些紧固螺丝松脱、断裂时，甚至会造成整个汽轮机组的报废。所以，消除异常振动，是确保安全生产的重要环节。 二、汽轮机异常振动的原因分析与解决方法 汽轮机组负担着将热能转化为电能的任务，由于其长时间运行、关键部位长期磨损等特点，各种故障时常发生，其中，振动异常是汽轮机组常见故障中最频繁的一种，严重影响了电厂的正常发电。由于振动产生的原因非常复杂，汽轮机

频响函数用于转子振动信号诊断

A frequency response function-based structural damage identi?cation method Usik Lee *,Jinho Shin Department of Mechanical Engineering,Inha University,253Yonghyun-Dong,Nam-Ku,Incheon 402-751,South Korea Received 9March 2001;accepted 9October 2001 Abstract This paper introduces an frequency response function (FRF)-based structural damage identi?cation method (SDIM)for beam structures.The damages within a beam structure are characterized by introducing a damage distribution function.It is shown that damages may induce the coupling between vibration modes.The e?ects of the damage-induced coupling of vibration modes and the higher vibration modes omitted in the analysis on the accuracy of the predicted vibration characteristics of damaged beams are numerically investigated.In the present SDIM,two feasible strategies are introduced to setup a well-posed damage identi?cation problem.The ?rst strategy is to obtain as many equations as possible from measured FRFs by varying excitation frequency as well as response measurement point.The second strategy is to reduce the domain of problem,which can be realized by the use of reduced-domain method in-troduced in this study.The feasibility of the present SDIM is veri?ed through some numerically simulated damage identi?cation tests.ó2002Elsevier Science Ltd.All rights reserved. Keywords:Structural damage;Damage identi?cation;Beams;Frequency response function;Damage-induced modal coupling;Reduced-domain method 1.Introduction Existence of structural damages within a structure leads to the changes in dynamic characteristics of the structure such as the vibration responses,natural fre-quencies,mode shapes,and the modal dampings.Therefore,the changes in dynamic characteristics of a structure can be used in turn to detect,locate and quantify the structural damages generated within the structure.In the literature,there have been appeared a variety of structural damage identi?cation methods (SDIM),and the extensive reviews on the subject can be found in Refs.[1–3]. The ?nite element model (FEM)update techniques have been proposed in the literature [4–9].As a draw- back of FEM-update techniques,the requirement of reducing FEM degrees of freedom or extending the measured modal parameters may result in the loss of physical interpretability and the errors due to the sti?-ness di?usion that smears the damage-induced localized changes in sti?ness matrix into the entire sti?ness matrix.Thus,various experimental-data-based SDIM have been proposed in the literature as the alternatives to the FEM-update techniques. The experimental-data-based SDIM depends on the type of data used to detect,locate,and/or quantify structural damages.They include the changes in modal data [10–18],the strain energy [19,20],the transfer function parameters [21],the ?exibility matrix [22,23],the residual forces [24,25],the wave characteristics [26],the mechanical impedances [27,28],and the frequency response functions (FRFs)[29–31].Most of existing modal-data-based SDIM have been derived from FEM model-based eigenvalue problems. As discussed by Banks et al.[32],the modal-data-based SDIM have some shortcomings.First,the modal * Corresponding author.Tel.:+82-32-860-7318;fax:+82-32-866-1434. E-mail address:ulee@inha.ac.kr (U.Lee). 0045-7949/02/$-see front matter ó2002Elsevier Science Ltd.All rights reserved.PII:S 0045-7949(01)00170-5

磁悬浮轴承转子动力学分析及其主动控制研究_宋骏琛

*国家自然科学基金项目（编号：51277092）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）资助项目(编号：BK20130938) 摘要：转子是磁悬浮轴承系统旋转机械的核心部件，其性能与系统稳定性及各项技术指标紧密相连。磁悬浮轴承转子系统以其 高转速，高功效的特点已成为当代旋转机械系统的核心，有效提高其安全性能已经成为研究因素里的重中之重。综述了磁悬浮轴承转子系统动力学特性研究内容的现状和研究方法的应用，以及转子振动主动控制的几种方式，分别针对每个要素的不同研究方法做出了分析与总结，旨在对磁悬浮轴承转子振动控制技术的发展趋势进行展望。关键词：磁悬浮轴承转子系统；动力学特性；主动控制中图分类号：TH133.3 文献标识码：A 文章编号：1009－9492(2014)12－0165－04 Research on Dynamics Analysis and Active Vibration Control of Magnetic Bearing Rotor SONG Jun-chen ，OU YANG Hui-min ，ZHANG Guang-ming （Nanjing Tech.University ，Nanjing211816，China ） Abstract:With its high speed ，high efficiency ，the magnetic bearings-rotor system has become the core of modern rotating machinery system ，so improving its safety performance effectively is very significant among the study.This paper summarized the application research on dynamic characteristics of content on bearings-rotor system and the application on research ，as well as the several methods of active control ，then made analysis and summaries for each factor of different research method in order to discuss the development technology trend of the magnetic system. Key words:the magnetic bearings-rotor system ；dynamic characteristics ；active control 磁悬浮轴承转子动力学分析及其主动控制研究* 宋骏琛，欧阳慧珉，张广明 （南京工业大学，江苏南京 211816） DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.042 0引言 当前磁悬浮技术以其无摩擦，无磨损，寿命长等优势在能源、航空、交通等领域得到了很好的应用与发展。可由于其自重产生的轴挠度及质量偏心等因素的存在，旋转机械的安全性能会进一步恶化。为了有效解决这一情况，限制转子自重以及线速度、减小离心力，在启动、变速、停止过程中，磁悬浮轴承转子会通过临界转速引发剧烈的共振，故在当今旋转机械的发展中能够合理有效地限制其在越过临界转速状态下的振动刻不容缓。本文分析归纳了磁悬浮轴承柔性转子主动振动的几种控制策略，介绍了包括临界转速和不平衡响应的几种动力学特性方法的研究，旨在对磁悬浮轴承转子振动控制技术的发展趋势进行展望。 1磁轴承转子动力学特性分析 与传统机械轴承相比，磁悬浮轴承具有超高的转速，通常在每分钟数万转范围内。由于一系列干扰因素的存在（如转子质量偏心、磁场力分布不均匀等），转子在高速旋转的过程中会有丧失平衡及稳定性的风险，而当前对于磁悬浮转子系统的动力学研究还处于初级阶段，所以对系统的动力特性进行分析与计算已成为当务之急。构成磁悬浮轴承转子动力学的研究内容主要有以下3个。 1.1磁悬浮轴承转子临界转速 转子旋转时，由于质量不平衡产生的离心力会使得转子产生弯曲变形下的强迫振动，当离心力的频率等同于转子的固有频率时，共振现象即会发生。此刻的转速被称为临界转速。通常状态

振动分析常见图谱

振动分析常见图谱 一、跟踪轴心轨迹 轴心轨迹是轴心相对于轴承座的运动轨迹，它反映了转子瞬时的涡动状况。 对轴心轨迹的观察有利于了解和掌握转子的运动状况。跟踪轴心轨迹是在一组瞬态信号中，相隔一定的时间间隔（实际上是相隔一定的转速）对转子的轴心轨迹进行观察的一种方法。这种方法是近年来随着在线监测技术的普及而逐步被认可的，它具有简单、直观，判断故障简便等优点。 图4-20是某压缩机高压缸轴承处轴心轨迹随转速升高的变化情况，在能过临界转速及升速结束之后，轨迹在轮廓上接近椭圆，说明这时基频为主要振动成分，如果振幅值不高，应该说机组是稳定的。如果达到正运行工况时机组振幅值仍比较高，应重点怀疑不平衡，转子弯曲一类的故障。 二、波德（Bode）图 波德图是描述某一频带下振幅和相位随过程的变化而变化的两组曲线。频带可以是1×、2×或其他谐波；这些谐波的幅、相位既可以用FFT法计算，也可以用滤波法得到。当过程的变化参数为转速时，例如启、停机期间，波德图实际上又是机组随激振频率（转速）不同而幅值和相位变化的幅频响应和相频响应曲线。 当过程参数为速度时，比较关心的是转子接近和通过临界转速时的幅值响应和相位响应情况，从中可以辨识系统的临界转速以及系统

的阻尼状况。 图4-21 某压缩机高压缸波德图 图4-21是某转子在升速过程中的波德图。从图中可以看出，系统在通过临界转速时幅值响应有明显的共振峰，而相位在临界前后转了近180。。 除了随转速变化的响应外，波德图实际上还可以做机组随其他参数变化时的响应曲线，比如时间，不过这时的横坐标应是时间，这对诊断转子缺损故障非常有效。也可以针对工况，当工况条件改变时做波德图，这时的幅频响应和相频响应如果不是两条直线，说明工况变化对振动的大小和相位有影响，利用这一特点可以甄别或确认其他症兆相近的故障。 三、极坐标图 极坐标图实质上就是振动向量图，和波德图一样，振动向量可以是1×、2 ×或其他谐波的振动分量。极坐标图有时也被称为振型圆和奈奎特图（Nyquist图），但严格说来，二者是有差别的，因为极坐标图是按实际响应的幅值相位来绘制的，而Nyquist图一般理解为是按机械导纳来绘制的。 极坐标图可以看成是波德图在极坐标上的综合曲线，它对于说明不平衡质量的部位，判断临界转速以及进行故障分析是十分有用的。和波德图相比，极坐标图在表现旋转机械的动态特征性方面更为清楚和方便，所以其应用也越来越广。

英格索兰空压机机组振动故障分析

英格索兰空压机机组振动故障分析 英格索兰空压机机组振动故障分析 1、转子不平衡故障 转子不平衡的振动识别特征是频谱图上工频具有突出峰值，有时伴有二倍频等高频谐波，在转速不变时相位稳定，振幅与不平衡度成正比，并随工作转速的升降而增减（过临界转速时例外），轴心轨迹为椭圆同步正进动。 2、转子不对中故障[8] 齿形联轴器所产生的附加轴向力以及转子偏角位移的作用，从动转子以每回转一周为周期，在轴向往复运动一次，因而转子的轴向振动的频率与回转频率相同。 转子不对中的振动识别特征是【19】：频谱图上径向振动频谱由基频、二倍频及调制谐波组成，二倍频谐波振幅较大，为特征频率。轴向振动频谱由基频及其谐波组成，基频具有峰值。转速一定时相位稳定不变。在联轴器相邻处的轴承振动较大，轴心轨迹为大圆套小圆，进动为同步正进动，对载荷变化较为敏感，振动随载荷增加而增加。 3、油膜涡动和油膜震荡 油膜震荡的振动识别特征是【20】：波形具有明显的低频波动规律，频谱具有组合频率特征，该组合频率由基频与次半频形成，次谐波非常丰富。相位变动大，极不规则，轴心轨迹为扩散的不规则轨迹，进动方向为正进动。对于油膜振荡，一定是工作转速高于第一临界转速两倍时才会发生，振荡频率等于转子的第一临界固有频率，此频率不随工作转速的变化而变化，在升速过程中升速越快，“惯性效应”越明显，此故障对润滑油的温度、压力、粘度等参数非常敏感，易发生在轻载的转子上。 4、旋转失速的诊断 转子发生旋转失速的轴心轨迹为反进动。旋转失速在叶轮间产生的压力波动就是引起转子振动的激振力。激振力的大小还与气体分子量有关。如果气体分子量较大，激振力也大，对机器的运行影响也大。在离心式压缩机中，最后一级叶轮偏离设计工况最远，所以一般都在最后一个叶轮上最先发生旋转失速。 随着实际工作流量的减小，旋转失速的频率一般接近或小于工作转速频率之

转子系统非线性振动研究进展

转子系统非线性振动研究进展 3 陈安华　刘德顺　朱萍玉 (湘潭矿业学院振动、冲击与诊断研究所,湖南湘潭,411201)摘　要　由于机械运转速度的不断提高和新型材料、新型结构的推广应用,旋转机械的非线性动力学行 为日显突出和重要1基于线性系统原理的转子动力学理论与方法难以对实践中出现的丰富的非线性动 力学现象作出准确的描述、阐释和预测1近年来,随着非线性科学研究的深入和渗透,转子系统非线性 振动已成为应用力学和机械工程领域的研究热点之一1从有利于建立旋转机械振动状态集与故障集之 间的映射关系出发,综述了近年来转子系统非线性振动研究的主要进展,总结了转子系统中出现的典型 非线性动力现象及其产生机理,目的在于丰富旋转机械故障诊断知识库1参551 关键词　转子　非线性振动　故障诊断　稳定性　分岔 分类号　TH17,TH113 第一作者简介　陈安华　男　35岁　博士　副教授　机械动力学与机械故障诊断 0　引言 自从Jeffcott H H (1919)以来,基于线性系统理论的转子动力学获得了很大的发展,涉及的主要问题(不平衡响应计算、临界转速确定、运转稳定性、参数辨识以及转子平衡)至今在理论上已较为成熟,在实践中也获得了成功的应用,并且拓展了新的应用领域,如机械故障诊断技术等1随着机械运转速度的日益提高和新型材料、新型结构的推广应用,旋转机械中出现的复杂的非线性动力学行为日益引起关注1导致转子系统非线性的主要因素有:轴和支承材料本身的非线性应力应变关系[1,2],滚动轴承刚度[3,4,5,6,7],滑动轴承和挤压油膜阻尼器的油膜力[8,9,10,11],间隙和碰摩[12,13,14,15,16,17],裂纹[18,19,20],参数(质量或刚度)时变[21,22,23]等1由于这些因素不可避免地存在,准确描述转子系统真实动力学行为的微分方程是非线性的1在不少实际问题的处理中,合理的线性化自然能显著地减少分析与计算工作量,降低理论上和技术上的难度,且所得结果与对真实系统的观测基本相符,因而基于线性系统理论的转子动力学得到了充分的发展和广泛的应用,并显示出强大的生命力1然而,当真实转子系统的非线性较为显著时,如果仍采用近似的线性化模型和线性系统的分析方法,将不可避免地“过滤”掉许多系统固有的非线性动力学现象,如稳态响应对初始条件的依赖性、解的多样性与稳定性、振动状态突变、超谐波次谐波共振、混沌振动以及系统长期性态(吸引子)对参数的依赖性等,其主观分析结果与真实系统的客观动力学行为之间必然存在不可忽视的定性和定量上的差异1在大型旋转机械状态监测与故障诊断实践中,人们时常面临转子动力学传统理论难以作出准确阐释的异常振动现象,这就说明,开展转子系统非线性振动的研究,不仅是转子动力学学科自身不断深化的必然结果,更是源于工业实践的迫切需求1 收稿日期:1999-02-24 3国家自然科学基金资助项目(编号:59875073)本文责任编辑:王窈惠 第14卷第2期 1999年　6月湘潭矿业学院学报J.XIAN GTAN MIN.INST.Vol.14No.2J un.　1999

振动故障诊断要点汇总

振动故障诊断要点汇总 一、转子不平衡 转子质量偏心的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率常伴频率振动稳定性 振动 方向 相位特征轴心轨迹 进动方 向 矢量区 域 1×稳定径向稳定椭圆正进动不变不变 转子质量偏心振动随敏感参数的变化 1 2 3 4 5 6 随转 速 随负荷随油温随流量随压力其它识别方法 明显不明显不变不变不变低速时振动趋于零 转子质量偏心的故障原因 故障来源 1 2 3 4 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要原因结构不合理,制造误差大, 材质不均匀,动平衡等级 低 转子上零件安 装错位 转子结垢 转子上零件 配合松动 转子部件缺损的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率常伴频率振动稳定性 振动 方向 相位特征轴心轨迹 进动方 向 矢量区 域 1×突大后稳定径向突变后稳 定 椭圆正进动 突变后 稳定 转子部件缺损振动随敏感参数变化 1 2 3 4 5 6 随转 速 随负荷随油温随流量随压力其它识别方法明显不明显不变不变不变振幅突然增加 转子部件缺损的故障原因 故障来源 1 2 3 4 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要原因结构不合理,制造误差大, 材质不均匀 转子有较大预 负荷 1.超速,超负荷运行 2.零件局部损坏脱落 转子腐蚀疲 劳,应力集中

二、转子弯曲 转子弓形弯曲的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率常伴频 率 振动稳定性振动方向相位特征 轴心轨 迹 进动方 向 矢量区域 1×2×稳定径向、轴向稳定椭圆正进动矢量起始点大，随运行继续增大 转子弓形弯曲振动随敏感参数的变化 1 2 3 4 5 6 随转 速 随负荷随油温随流量随压力其它识别方法 明显不明显不变不变不变1）升速时，低速时振动幅值就大；2）刚性转子两端相位差180度； 转子弓形弯曲的故障原因 故障来 源1 2 3 4 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要原 因结构不合理, 制造误差大, 材质不均匀 1. 转子存放不当,永久变形 2. 轴承安装错位,预负荷大 高速, 高温机器, 停 车后未及时盘车 转子热稳定性差,长期运行 自然弯曲 转子临时性弯曲的振动特征 1 2 3 4 5 6 7 8 特征频率常伴频 率 振动稳定性振动方向相位特征 轴心轨 迹 进动方 向 矢量区域 1×稳定径向、轴向稳定椭圆正进动升速矢量时增大，稳 定后减小 转子临时性弯曲振动随敏感参数的变化 1 2 3 4 5 6 随转 速 随负荷随油温随流量随压力其它识别方法 明显不明显不变不变不变升速过程振幅大，常不能正常启动 转子临时性弯曲的故障原因 故障来源 1 2 3 4 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 主要原因结构不合理,制造误差 大,材质不均匀 转子预负荷较 大 升速过快,加载太大转子稳定性差