轉子—滑動軸承系統松動—碰摩耦合故障分析

劉楊 李炎臻 太興宇 董麗媛 聞邦椿

摘要： 針對轉子滑動軸承系統發生松動故障進而引發松動碰摩耦合故障的診斷問題，基于非線性有限元方法，應用非線性短軸承油膜力模型、松動剛度模型及Hertz接觸理論建立雙盤松動碰摩耦合故障轉子滑動軸承系統的動力學模型。首先，研究并分析了滑動軸承（油膜力）支撐下的健康轉子系統的動力學特性；進而，通過對不同轉速下耦合故障轉子系統動力學特性的研究發現，滑動軸承支撐下的松動碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征為主，時域波形呈現下密上疏的波動形狀，軸心軌跡表現為多個嵌套的“半橢圓形”，這些故障特征可以作為診斷滑動軸承（油膜力）支撐下松動碰摩耦合故障的一個理論依據。

關鍵詞： 故障診斷； 螺栓松動； 碰摩； 雙盤轉子； 油膜力

中圖分類號： TH165+.3 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-4523（2016）03-0549-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.022

引 言

油膜振蕩是滑動軸承轉子系統中常見的現象。旋轉機械中的油膜振蕩會使軸系振幅急劇增大，容易引發軸承座與基礎間的螺栓松動，進而引起轉子與定子間的碰撞與摩擦，使其出現周期性的碰摩現象，這對機組的安全運行產生了直接影響。因此，為了提高旋轉機械的工作穩定性與安全性，研究轉子滑動軸承系統松動碰摩耦合故障復雜的動力學特性及其演變規律具有重要的意義。

近些年來，對于油膜振蕩引起的失穩、松動和碰摩等耦合故障問題的研究一直是國內外相關學者關注的重大課題。褚福磊[1]等研究了基于短軸承油膜力模型的轉子與定子發生彈性碰摩的動力學行為，分析后發現其具有明顯的分叉與混沌運動現象。劉長利[2]對松動碰摩耦合故障轉子軸承系統周期運動的穩定性進行了研究，分析了系統在不同參數域內分岔集的變化情況。陳果[3]通過對松動與碰摩故障耦合時轉子系統響應特征的研究發現，松動故障會導致系統的振幅突然增加并產生混沌運動。Agnes Muszynska[4]研究了具有基座松動及轉靜子碰摩故障的轉子系統非線性動力學行為，并結合轉子系統的振動特性進行了相關實驗。蘇長青等[5]采用短軸承非穩態油膜力模型，研究了存在碰摩和支座松動耦合故障轉子系統的隨機響應問題。羅躍綱等[6]研究了具有松動碰摩耦合故障雙跨轉子軸承系統的周期運動過程，指出轉子系統的響應以混沌運動為主。本文運用有限單元法建立了油膜力支撐下的松動碰摩耦合故障雙盤單跨轉子系統動力學模型，使用Newmarkβ迭代數值求解方法來獲取故障轉子系統相應節點的激勵響應結果；并基于非線性短軸承油膜力模型和松動剛度模型理論研究并分析了在不同轉速條件下，松動碰摩耦合故障轉子滑動軸承系統周期運動的相關特性，為轉子滑動軸承系統的耦合故障診斷提供了理論參考。

3 結 論

（1）健康轉子系統在滑動軸承（油膜力）支承下，隨著轉速的提高，油膜渦動現象逐步顯現，倍頻及分頻諧波系列成分較為豐富，并且分頻逐漸取代轉頻成為主頻，油膜振蕩現象加劇。當轉子系統發生松動碰摩耦合故障時，由于松動剛度和碰摩力的共同作用，油膜失穩現象被抑制；此時，隨著轉速的增大，系統碰摩現象加劇，逐步由周期1運動分岔進入周期N運動狀態。

（2）通過研究在不同轉速條件下轉子系統的動力學特性后發現，滑動軸承（油膜力）支撐下的松動碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征為主，頻率成分較為豐富，轉頻長時間作為主頻，時域波形呈現下密上疏的波動形狀，軸心軌跡表現為多個嵌套的“半橢圓形”，這些故障特征可以作為診斷滑動軸承（油膜力）支撐下轉子系統松動碰摩耦合故障的一個理論依據。

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