Jeffcott转子碰摩故障试验研究

转子动力学研究进展韩清凯;马辉【摘要】本文简要回顾了转子动力学的发展历程,指出了转子动力学的研究对象,如以汽轮发电机、燃气轮机、离心/轴流压缩机和航空发动机等大型装备为代表的复杂转子系统;主要研究内容涉及转子系统动力学建模、临界转速和振动响应计算、柔性转子动平衡技术、支承转子的各类轴承动力学特性、转子系统动力稳定性、转子系统非线性动力学、转子系统振动故障及其诊断技术、转子系统振动控制和多场耦合激励下转子系统振动,如机电耦合振动等.未来的研究主要聚焦在转静子系统耦合振动,基于大数据的转子系统智能诊断和考虑新材料、新结构的转子系统振动控制技术等方面.【期刊名称】《动力学与控制学报》【年(卷),期】2018(016)006【总页数】2页(P481-482)【关键词】旋转机械;转子动力学;稳定性;振动控制;智能诊断【作者】韩清凯;马辉【作者单位】大连理工大学机械工程学院,大连 116024;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳 110819【正文语种】中文引言转子动力学是研究旋转机械转子及其部件和结构动力学特性的学科.转子动力学起源于十九世纪六十年代,目前已经成为机械动力学的重要分支.当代转子动力学的研究对象主要是以汽轮发电机组、燃气轮机、离心/轴流压缩机和航空发动机等重大装备为代表的复杂转子系统.转子系统的运动以涡动运动为典型形式.通常情况下,转子系统的振动问题一般比较突出,并且也十分复杂,不仅有转轴的弯曲振动和扭转振动,还包括叶轮的振动、叶轮上叶片的振动、机匣和基础振动,以及流体介质或轴承油膜等因素引起的涡动失稳等．目前转子动力学与振动研究主要涉及：1)转子系统动力学建模；2)临界转速和振动响应计算；3)柔性转子动平衡技术；4)支承转子的各类轴承动力学特性；5)转子系统动力稳定性；6)转子系统非线性动力学；7)转子系统振动故障及其诊断技术；8)转子系统振动控制；9)多场耦合激励下转子系统振动,如机电耦联振动等.1 转子动力学的发展历程转子动力学的研究已有百年历史．关于转子振动分析的最早记录是1869年英国物理学家Rankine发表的题为“论旋转轴的离心力”的论文,该论文得出了转子只能在一阶临界转速以下稳定运转的错误结论．Foppl(1895年)和Jeffcott(1919年)指出了转子在超临界运转时会产生自动定心现象,因而转子可以稳定工作．随着转子超临界运转,Newkirk发现了油膜轴承导致自激振动失稳现象,从而确定了油膜轴承稳定性在转子动力学分析中的重要地位．在油膜轴承稳定性的研究方面,Newkirk、Lund、Child和Muszynska等做出了突出贡献.在国内转子动力学研究领域.众多学者和工程技术人员开展了大量的研究工作,包括复杂转子系统动力学建模、转子系统非线性理论与失稳分析、转子系统碰摩等多种故障以及耦合故障的机理研究、转子系统振动故障诊断技术、轴承或齿轮系统动力学与振动故障诊断、转子系统动力学设计技术、以及转子系统振动控制理论与技术等,经过多年的辛勤努力,取得了大量的高水平成果.这些研究成果不仅极大地提升了我国在转子动力学领域的国际学术地位,而且对推动我国诸多工程领域的产品与技术的发展,发挥了至关重要的作用.2 转子动力学未来发展当前转子动力学的研究进入了新阶段.一方面,针对具有复杂结构的转子系统,特别是转子系统与静子系统刚度接近、存在振动耦合的情况,转子和静子结构连接面多且形式复杂,考虑服役退化,以及整机动力学的研究,振动响应的高精度预估研究等,得到了人们的高度重视.另一方面,面向转子系统振动与故障机理与诊断研究,强调了大数据与智能预测方法研究,揭示故障表征的新模式,促进故障机理研究,开展基于大数据的转子系统智能诊断,也已成为目前研究的热点问题之一.转子系统振动控制技术也拓展应用到采用新材料、新结构和提高预测控制能力等方面,提高转子系统振动控制能力及其可靠性和准确度.目前转子动力学在以下六个方面,已经取得了一些代表性成果：1)大型复杂转子系统的力学建模和分析手段,主要涉及连接件建模、大型复杂柔性转子系统、柔性转子系统-柔性基础系统、非同步旋转机械、特殊转子系统.2)考虑非线性的大型转子系统降维理论,主要涉及高维非线性动力学系统的降维方法和提高现有非线性动力学理论能够求解的维数.3)失稳机理分析和非线性分析,主要涉及油膜力、密封力、叶尖气隙力(Alford力)、转轴的刚度不对称、转轴材料的粘弹性和转轴的结构阻尼、转子和静子在间隙内的相互碰摩引起干摩擦力、充液转子等诱发的失稳和非线性振动.4)基于大数据的转子-轴承系统智能故障诊断,主要涉及浅层稀疏网络特征提取方法,建立具有深层结构的深度学习网络,研究旋转机械装备健康状态的多标记体系,全面高效地描述大数据下旋转机械系统的故障信息,形成融合多物理信息源的深度学习模型.5)转子-轴承系统的非线性动力学设计,主要涉及多目标优化设计,不但要设计合理的稳定裕度,还要设计失稳转速使其对参数变化最不敏感,使稳定裕度对一定范围内的制造工艺偏差及运行条件变化最不敏感.6)转子-轴承系统的振动控制,如采用弹性支承加挤压油膜阻尼器的低刚度、高阻尼特性的“滚动轴承与减振元件一体化”结构.3 专刊内容本专刊所收录的论文来自于2018年5月在苏州召开的第13届全国转子动力学会议.它包括复杂转子-支承系统动力学特性与振动响应分析、齿轮转子系统和考虑螺栓连接结合面的转子系统动力学特性研究、滚动轴承动力学特性研究、以及转子系统动力学吸振器减振研究等.期望专刊的出版能对我国转子系统动力学与振动的研究以及相关学科的发展起到积极的促进作用.。

收稿日期：2020-02-18基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：刘一雄（1988），男，硕士，高级工程师。

引用格式：刘一雄，丛佩红，郭勇，等.喘振载荷作用下风扇转静子碰摩研究[J].航空发动机，2023，49（2）：112-117.LIU Yixiong ，CONG Peihong ，GUO Yong ，et al.Study on blade and stator rub-impact under surge load[J].Aeroengine ，2023，49（2）：112-117.喘振载荷作用下风扇转静子碰摩研究刘一雄1，2，3，丛佩红1，2，郭勇1，杨治中1，郑茂军1（1.中国航发沈阳发动机研究所，2.辽宁省航空发动机冲击动力学重点实验室：沈阳110015；3.西北工业大学动力与能源学院，西安710072）摘要：某风扇试验件在进入喘振后发生转静子碰摩故障，转子叶片与其上游静子叶片的尾缘发生碰摩并产生掉块、卷边等损伤。

为明确故障发生的原因，结合数值仿真和试验结果排除了共振和颤振的发生。

根据压力脉动数据确定了喘振载荷，并考虑在喘振作用下轴向力轻载反向、转速升高、机匣变形、静子叶片变形等因素的影响，开展了基于尺寸链的转静子叶片热态间隙分析，对叶片在喘振载荷作用下的碰摩响应进行了模拟分析。

结果表明：在喘振载荷短时冲击作用下，转子叶片向后缘方向产生3.42mm 的变形，收敛型风扇通道使得径向间隙明显减小，叠加风扇转速升高、轴向力轻载反向等因素，转子叶片叶尖尾缘轴向向后的位移超出机匣涂层覆盖区域0.41mm ，导致尾缘与机匣基体的径向间隙为-0.44mm ，进而发生径向碰摩；在多次往复的大冲击载荷作用下，转子叶片向前与上游静子叶片发生轴向碰摩。

合理设置机匣耐磨涂层长度和流道倾角可以有效降低喘振过程中碰摩的风险。

关键词：喘振；尺寸链；热态间隙；碰摩响应；转静子碰摩；风扇叶片；航空发动机中图分类号：V231.9文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.02.013Study on Blade and Stator Rub-impact Under Surge LoadLIU Yi-xiong 1，2，CONG Pei-hong 1，2，GUO Yong 1，YANG Zhi-zhong 1，ZHENG Mao-jun 1（1.AECC Shenyang Engine Research Institute.Shenyang 110015China;2.Key Laboratory of Impact Dynamic on Aero Engine,Shenyang,110015,China;3.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi ’an 710072,China ）Abstract ：A fan component experienced a rub-Impact fault during the surge process and the middle-stage fan blades rubbed with its upstream stators ，leading to metal shedding and edge curling.In order to clarify the causes of the fault ，numerical simulation and test data analysis were conducted and the occurrence of resonance and flutter were excluded.The surge load was estimated by analyzing the fluctua⁃tion pressure data.The analysis of blade and stator hot clearance based on dimensional chains during surge was conducted considering the surge-induced effects ，such as light/reversed axial load ，rotor speed rise ，casing deformation ，blade and stator deflection ，etc.The rub⁃bing response of the blade and rotor was analyzed using transient simulation.The results show that under the short-duration impact of surge load ，the fan blade trailing edge deflected downstream by 3.42mm ，resulting in the reduction of radial tip clearance since the fan passageis bining the influences of fan speed rise and light/reversed axial load on the tip axial clearance ，the axially displaced blade tip trailing edge exceeded the casing coating area by 0.41mm ，causing a -0.44mm tip clearance between the blade trailing tip and the casing substrate ，indicating a radial rubbing.Under the repeated huge impact loadings ，the blade deflected upstream and collided withthe stator.Appropriate design of the axial dimension of abradable coating and the flow passage incidence angle can effectively reduce the risk of rubbing in case of a surge.Key words ：surge ；dimensional chain ；hot clearance ；rubbing response ；blade and stator rubbing ；fan blade ；aeroengine第49卷第2期2023年4月Vol.49No.2Apr.2023航空发动机Aeroengine0引言为了摸清航空发动机风扇/压气机部件的工作性能，在工程应用中常在部件试验器上开展性能录取试验，通过节气门调节的方法使风扇/压气机偏离工作点并沿等转速线向喘点逼近，进而获得喘振边界。

超高速转子系统动力学特性(Ⅱ)：碰摩转子
陈巍;杜发荣;丁水汀;郭宝亭
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2012(33)6
【摘要】为排查超高速转子系统碰摩故障的原因,利用混沌、分岔理论,研究了碰摩转子动力学特性。

以实际转子结构为对象,建立物理模型,由拉格朗日(Lagrange)法建立系统动力学方程并数值求解,结合分岔图、轴心轨迹、相图、Poincare映射等手段,考察了碰摩转子的动力学行为及系统参数变化对其动力学特性的影响。

研究结果表明:质量盘之间的动力耦合效应较弱,有利于系统稳定性;既定转子结构不致引起高速混沌状态进而导致碰摩。

研究内容为探求故障原因提供了依据,所涉及的故障分析方法和过程可作为系列化微型涡喷发动机设计的参考。

【总页数】9页(P866-874)
【作者】陈巍;杜发荣;丁水汀;郭宝亭
【作者单位】中国科学院工程热物理研究所/推进与动力实验室;北京航空航天大学交通科学与工程学院;北京航空航天大学能源与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】V263.4
【相关文献】
1.碰摩故障下转子-MRD系统的动力学特性研究
2.不对中-松动-碰摩转子系统的动力学特性分析
3.单盘柔性碰摩转子系统的非线性动力学特性分析
4.考虑定子质量
和碰摩面刚度的转子/定子系统碰摩响应的全局动力学特性研究5.超高速转子系统动力学特性(Ⅰ):无碰摩转子
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转子碰摩振动故障处理郭增辉长沙理工大学 410076 200423190211摘要：汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障,而转轴碰摩是机组起动和正常运行中振动突然增大的主要故障之一。

汽轮机动静部分碰磨对造成的危害是非常严重的,据国内汽轮机弯轴事故统计表明,其中86 %由转轴碰磨引起,转轴碰磨严重时会引起轴系破坏。

因此,分析和研究汽轮机动静部分发生碰磨的原因,可避免事故的发生,以保证机组的安全可靠运行。

Abstract：The steamship power set rotates the part and the static part bumpstouches is in the movement the common breakdown, but the revolutionaxis bumps touches is one of major failures which in the unit startingand the normal operation vibrates suddenly increases. Turbine movement on the part of rubbing the harm caused is very serious, according to bend axis turbine domestic accident statistics show that, of which 86 percent from Shaft rubbing caused Shaft rubbing shaft will cause serious damage. Therefore, the static and dynamic analysis and research Turbine occurred rubbing some of the reasons for the occurrence of accidents can be avoided to ensure the safe and reliable operation of the unit.关键词：碰摩，振动，故障，弯轴，动静部分，危害，安全，统计，严重，避免。

转子全周碰摩与局部碰摩的识别方法研究熊炘;杨世锡;甘春标;周晓峰【摘要】超临界汽轮发电机组的结构和工况复杂,容易引起转、静子间的碰摩.根据碰摩诱发因素的不同,可将其分为全周碰摩与局部碰摩.由于两种碰摩故障的时、频特征相似,传统的时、频域分析方法很难准确提取它们的故障特征.针对这一不足,提出一种基于经验模式分解-奇异值分解(EMD-SVD)与支持向量机(SVM)的碰摩故障识别方法,用于对转子全周碰摩与局部碰摩故障进行识别.首先,通过EMD获取碰摩信号的固有模式函数(IMF)；然后,提取表征信号主要能量的前四阶IMF组成特征矩阵并进行SVD分解,得到关于原信号的一组特征值；最后,将特征值输入SVM,对原信号进行分类识别.转子试验台全周碰摩与局部碰摩试验结果表明,该方法对转子全周碰摩与局部碰摩故障的分类准确率高,其中以径向基函数作为核函数的SVM分类准确率达到96.0％.%Supercritical steam turbosets are highly complex in their structure and always run under various complicated working conditions. They are prone to rub between static and dynamic parts. Induced by different factors, rubbing faults can be divided into full annular rub and partial rub. Since the time-frequency characteristics of both are similar to each other, discrimination of the two kinds of rub faults is hard to proceed by using the traditional spectrum analysis methods. In response to make up for this shortage, an intelligent recognition method based on the EMD-SVD and SVM was proposed. IMFs were collected through EMD and the first-four-order IMFs, which contain the main power of the original signal, were extracted to form the characteristic matrix. The SVD was applied to obtain a series of eigenvalues, which were theninputted to train the SVM in order to classify rub faults. The newly developed intelligent recogonition method was used to analyze the signals collected from rotor test-bed under both full annular rub and partial rub conditions. The experiment results show that, classification accuracy of the method is high, especially for the SVM using radial basis as kernel function, where the classification accuracy is up to 96.0%.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2012(031)016【总页数】5页(P13-17)【关键词】转子;全周碰摩;局部碰摩;经验模式分解;奇异值分解;支持向量机【作者】熊炘;杨世锡;甘春标;周晓峰【作者单位】浙江大学机械工程学系流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027;浙江大学机械工程学系流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027;浙江大学机械工程学系流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027;浙江大学机械工程学系流体传动及控制国家重点实验室,杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TN911.7;TH165.3随着我国淘汰落后产能、实现节能减排等重大战略的实施，大容量、高参数化的超临界汽轮发电机组在我国火力发电装备中所占的比例不断增加。

2013∽2014学年第二学期《机械故障诊断技术》结课读书报告碰摩故障的诊断案例分析综述学院：专业：班级：姓名：学号：联系电话：指导老师：碰摩故障的诊断案例分析综述摘要：当前,随着科学技术的不断进步,旋转机械正日益朝着大功率、高转速及柔性等方向发展。

相应地,在旋转机械工作中也常伴有各种故障的出现,这些故障给工业生产和生活带来极大地破坏。

因此,研究转子系统的动力学特征具有重要的理论意义和实际应用价值。

本文正是基于动静碰摩，转子碰摩等碰摩案例进了理论析，之后给出了措施，得到了有关碰摩现象的一些结论。

关键词:转子碰摩；动静碰摩；时频分析；理论分析；Diagnosis of rubbing fault case analysis werereviewedAbstract: At present, along with the advance of science and technology, rotating machinery are increasingly towards the direction of high power, high speed and flexible development. Accordingly, in rotating machinery work is often accompanied by the emergence of all kinds of fault, the fault brings to the industrial production and life greatly. Therefore, research on dynamic characteristics of rotor system is of important theoretical significance and practical application value. This article was based on movement rubbing, the rotor rubbing cases are analyzed in theory, such as after measures is given, and got some conclusions about the phenomenon of rubbing.Key words: the rotor rubbing; Action rubbing; The time-frequency analysis; The theoretical analysis;前言随着现代旋转机械日益朝着高速、轻型、大功率及大载荷方向发展, 国内外从理论上和实验室对转子碰磨已做过相当多的研究，其结果可以作为诊断的参考依据。

一种简便的现场动平衡新方法王亚昆【摘要】现场动平衡是解决旋转机械不平衡故障最方便有效的方法.针对当前工程实际中正在使用的动平衡方法的不足,从Jeffcott转子不平衡响应这一角度出发,结合影响系数法原理,提出一种无需相位信息的动平衡新方法.该方法无需安装键相传感器,通过两次特殊位置的试重,即可计算出配重大小及两个可能的配重位置.应用该方法进行现场动平衡,最少停机3次,最多停机4次,即可完成现场动平衡.为了验证该方法,在Bently转子实验台上进行了3组动平衡实验,把该方法与影响系数法的结果进行了对比.实验结果表明,与影响系数法相比,该方法对试重的要求不敏感,即使试重对不平衡响应的影响很小,也能获得较理想的结果.文中所提方法对工程现场动平衡技术的应用具有重要促进作用,能够显著提高工程实际中机组的不平衡故障处理效率,具有显著的工程应用价值.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】4页(P126-129)【关键词】现场动平衡;影响系数法;故障诊断;不平衡【作者】王亚昆【作者单位】大庆油田力神泵业有限公司,黑龙江大庆163311【正文语种】中文【中图分类】TH113.250 引言潜油电泵、螺杆泵、压缩机等旋转机械是油田机械中的重要组成部分，而不平衡故障是旋转机械中最常见的故障，有资料表明，现场发生的机组振动故障，有75%以上的属于质量不平衡[1]。

因此，不平衡故障的及时处置显得尤为重要。

处理不平衡故障最及时、有效的方法就是进行现场动平衡。

Thealer、Baker等[2-3]提出的影响系数法和Bishop、Federn等[4]提出的振型平衡法是两个主要的动平衡方法，在此基础上，Darlow等[5]综合了影响系数法的计算机辅助优势和振型平衡法的振型分离优势，提出了综合平衡法。

其中影响系数法操作更为简单，便于计算机辅助计算，是当前应用最为广泛的现场动平衡方法。

近年来，为了提高现场动平衡效率，减少开停车次数，王维民[1]、Morton[6]、张禄林等[7]研究了无试重的动平衡方法，该方法可以在不加试重的条件下实现旋转机械的有效平衡，可以大大降低现场动平衡的时间和成本。