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

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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

60湘潭矿业学院学报1999年6月

转子系统的非线性振动研究起始于50年代[24],但引起广泛兴趣并取得明显进展则是在近二十年内1得益于非线性科学、应用力学以及计算机技术的发展,国内外学者针对不同的对象,为了不同的目的,从不同的视角,用不同的方法对转子系统非线性动力学的主要问题进行了较深入和较广泛的研究,揭示了转子系统丰富的非线性动力学行为及其物理机制1因为研究文献数量巨大,且散见于不同学科的学术期刊和学术会议上,加之转子系统非线性动力学尚处于发展的初级阶段,不少问题尚未得出一般性的结论,有些结论尚未形成共识,因而对该领域的进展作一个完整的评述和全面的总结是困难的1作者基于旋转机械故障诊断的需要,从有利于建立完备的故障诊断知识库的视角,总结、归纳了近年来揭示的转子系统典型的非线性振动现象及其产生机理,特别关注源自各种常见故障的异常非线性动力学行为1

1　转子系统非线性振动分析的方法

到目前为止,还没有出现普遍适用于各种不同类型非线性转子系统振动微分方程的分析解法,一般而言,只能针对具体情况采用不同的分析方法1应用较多的近似分析方法有谐波平衡法[6,23,25,26]、多尺度法[8,12,21,27]、和平均法[2,28]1谐波平衡法可用于求解强非线性和弱非线性转子系统的稳态周期响应,多尺度法和平均法适用于求解弱非线性转子系统的稳态响应和非稳态响应1近似分析方法的优点是,解的表述是显式的,因而便于分析参数的影响,这对于转子系统动力学设计和故障诊断是非常有利的1其缺点也是明显的:一是获得足够高精度的解(直接措施是解的近似展式含较多的项)必须以数学推演和计算工作量的剧增为代价,且解对参数的依赖关系不再明显;二是难以用于非解析函数型非线性问题;三是不适宜于高自由度转子系统1鉴于上述分析方法的这些缺点,不少作者更乐于采用数值方法1初值问题的直接积分[11,13,14,15,29]、边值问题的打靶法[30,31]、TCM法(T rigonometric C ollocation Method)[32,33,34]等数值方法具有广泛的用途和适用性,且求解精度较高,但求解稳态响应需耗费较长机时(对于高维和小阻尼问题更是如此),并且难以直截了当地展示参数变化对解的影响1

振动稳定性是转子系统非线性动力学研究不可回避的问题1用多尺度法和平均法求转子系统的稳态响应时,首先要导出描述振幅和相位随时间变化的一阶微分方程组,原方程的稳态解对应于这个自治系统的奇点,稳态响应的稳定性对应于奇点的稳定性1用谐波平衡法或TCM法求得的稳态响应的稳定性分析,是通过在稳态解上叠加一个小扰动,将之代入原方程,得一周期系数微分方程,再用Floquet理论或其它方法确定稳态响应是否稳定1结合运用打靶法和Floquet理论,既能直接求得转子系统稳态周期响应的数值解,又能同时确定其稳定性[30,31]1此外,Hopf分叉分析[35]、Lyapunov直接方法[22,36]、Lyapunov第一近似理论[3,8]、中心流形定理和奇异性分析[37]等也被用于转子系统振动稳定性研究1

为了刻划动力响应的性质、特征和分析参数的影响,时间历程、功率谱、Poincare映射、分岔图、轴心轨迹以及Lyapunov指数等是经常被使用的工具1

2　刚度非线性转子系统振动研究

多数合金材料、复合材料和高温下的一般材料,其受力与变形的准确关系只能用非线性函数表述;即便是普通的钢铁类材料,当变形超出胡克定律适用范围时,线性关系也不再近似成