轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展與展望

馬 輝， 楊 健， 宋溶澤， 能海強(qiáng)， 聞邦椿

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110819)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)定子碰摩指轉(zhuǎn)子振動(dòng)超過許用間隙發(fā)生的轉(zhuǎn)子與定子的接觸現(xiàn)象。碰摩故障輕則使機(jī)組振動(dòng)劇烈增加，影響機(jī)組使用壽命；重則引起轉(zhuǎn)子永久彎曲，甚至引發(fā)機(jī)毀人亡惡性事故[1-2]。

由于碰摩故障機(jī)理與碰摩誘發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)的復(fù)雜性，對(duì)碰摩故障已有大量研究，且獲得豐碩成果[3-11]。孟光[11]指出我國轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究存在的主要問題。在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究較少且研究水平較低，驗(yàn)證理論大多通過數(shù)值仿真獲得，且有些研究結(jié)論離實(shí)際應(yīng)用距離較大?；诖?，本文據(jù)轉(zhuǎn)定子單點(diǎn)碰摩、局部碰摩及整周碰摩不同碰摩形式對(duì)國內(nèi)外有關(guān)碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究成果進(jìn)行歸納、總結(jié)，分析三種碰摩形式出現(xiàn)的典型故障特征；展望轉(zhuǎn)定子碰摩實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展方向。

1 單點(diǎn)碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

單點(diǎn)碰摩指在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生點(diǎn)接觸的故障現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)多采用碰摩桿模擬定子，主要模擬轉(zhuǎn)盤或轉(zhuǎn)軸與定子間碰摩。典型碰摩裝置見圖1。

圖1 單點(diǎn)碰摩裝置

針對(duì)小型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)(采用與圖1類似的碰摩模擬裝置)，已有不同轉(zhuǎn)速下單點(diǎn)碰摩頻譜變化規(guī)律及碰摩導(dǎo)致的典型非線性現(xiàn)象。Muszynaka[4]利用小型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用黃銅螺釘模擬定子，研究轉(zhuǎn)定子輕微、嚴(yán)重碰摩時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障特征，結(jié)果表明，對(duì)輕微碰摩，轉(zhuǎn)速達(dá)到1階臨界轉(zhuǎn)速的n(n=1,2,…,5)倍附近時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)1X/n低頻成分(1X表示轉(zhuǎn)頻)；對(duì)嚴(yán)重碰摩，轉(zhuǎn)速超過1階臨界轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)，出現(xiàn)1X/2低頻成分及幅值較小的高頻成分。馬輝等[12]基于碰摩裝置(圖1(c))，在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)輪盤外緣單點(diǎn)碰摩故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明低于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，主要以倍頻成分為主；高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，隨轉(zhuǎn)速升高出現(xiàn)1X/2與1X/3低頻成分、微小的第1階固有頻率成分及與固頻、轉(zhuǎn)頻有關(guān)的組合頻率成分。設(shè)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在第1、2階臨界轉(zhuǎn)速之間，韓清凱等[2]對(duì)單跨雙盤柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生的單點(diǎn)碰摩故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明碰摩發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)存在明顯的高頻成分，隨碰摩程度的增加，摩擦弧度增加，基頻幅值有所下降，2、3次等高次諧波幅值有所增長。胡蔦慶等[13]對(duì)轉(zhuǎn)子與頂桿間單點(diǎn)碰摩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在某一轉(zhuǎn)速頻率下(接近臨界轉(zhuǎn)速)剛開始碰摩時(shí)系統(tǒng)幾乎只有1X分量，在局部對(duì)數(shù)譜上在1X/3、2X/3、4X/3分頻處有較微弱、譜線模糊分量。早期碰摩階段，該分量盡管微弱，但較明顯；在中晚期碰摩階段，明顯出現(xiàn)1X/2、3X/2分頻，碰摩嚴(yán)重時(shí)間歇出現(xiàn)1X/2分頻。Abuzaid等[14]對(duì)轉(zhuǎn)子與黃銅定子間點(diǎn)碰摩故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，研究發(fā)現(xiàn)碰摩會(huì)致共振頻率增加；輕微碰摩主要出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的高倍頻成分，如2X等；嚴(yán)重碰摩則出現(xiàn)亞諧波成分，如1X/3、2X/3等。Choi[15]采用圖1(b)碰摩裝置，觀測到輕微碰摩與嚴(yán)重碰摩存在不同的軸心軌跡，且碰摩導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)中出現(xiàn)亞諧波、超諧波及跳躍等非線性現(xiàn)象。

通過實(shí)驗(yàn)分析單點(diǎn)碰摩對(duì)臨界轉(zhuǎn)速影響，評(píng)估碰摩程度，測試碰摩所致法向沖擊力。黎瑜春等[16]采用柔性點(diǎn)碰摩裝置(圖1(a))，進(jìn)行轉(zhuǎn)軸與銅桿的柔性碰摩實(shí)驗(yàn)。研究表明在柔性碰摩下，軸系像多了個(gè)支撐點(diǎn)，可提高軸系剛度從而提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、增大軸系阻尼，過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振幅明顯減小。Cong等[17]采用本特利RK4轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)及單點(diǎn)碰摩裝置(圖1(b))，模擬轉(zhuǎn)定子碰摩故障，提出用沖擊能量模型判斷是否出現(xiàn)碰摩及碰摩程度，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性。為模擬桿、軸的單點(diǎn)碰摩，臧朝平等[18]專門設(shè)計(jì)出新碰摩模擬裝置，將光電探頭所得轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)輸入功率放大器后驅(qū)動(dòng)激振器工作，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)1周碰摩1次。工作時(shí)調(diào)節(jié)功率放大器可改變碰摩力(大小可由力傳感器獲得)，結(jié)合模糊診斷方法、灰色關(guān)聯(lián)診斷方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法完成對(duì)碰摩程度識(shí)別。黃葆華等[19]采用上下可移動(dòng)的碰磨螺釘模擬轉(zhuǎn)定子碰摩故障，其中碰磨螺釘與Bk8001阻抗頭相連以測定碰摩時(shí)螺釘對(duì)轉(zhuǎn)軸的瞬態(tài)正向沖擊力。

對(duì)葉片與機(jī)匣間發(fā)生的單點(diǎn)碰摩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。高艷蕾等[20]通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M葉片與機(jī)匣發(fā)生的單、雙點(diǎn)碰摩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單點(diǎn)碰摩發(fā)生位置(或方向)對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)呈顯著單點(diǎn)碰摩特征，即隨碰摩程度的增加高階分量逐漸增大，尤其二倍頻成分。雙點(diǎn)碰摩并非兩點(diǎn)同時(shí)碰摩，為順序碰摩，與單點(diǎn)碰摩較嚴(yán)重情況類似。雙點(diǎn)碰摩會(huì)致頻譜幅值明顯增大，尤其基頻幅值。譚大力等[21]對(duì)轉(zhuǎn)子葉片-機(jī)匣單點(diǎn)碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究表明，碰摩后轉(zhuǎn)子振動(dòng)含較多低、高次諧波成分，軸心軌跡不再為橢圓，變得復(fù)雜而無規(guī)律?；诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)帶機(jī)匣轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，張俊紅等[22]進(jìn)行不對(duì)中及單點(diǎn)碰摩故障測試。通過加速度傳感器、拉壓傳感器采集機(jī)匣與軸承座附近的加速度、碰摩力信號(hào)，結(jié)果表明碰摩力隨轉(zhuǎn)速提高而增大。

單點(diǎn)碰摩時(shí)由于轉(zhuǎn)、定子接觸面積較小，碰摩過程主要以碰撞反彈的沖擊為主，類似于脈沖激勵(lì)，小于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)豐富的高頻成分，而高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)定子碰摩力的增加，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)2、3周產(chǎn)生1次碰摩情況，因而轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)1X/2系列(1X/2，3X/2等)及1X/3系列諧波成分。

2 局部碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

局部碰摩指在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子與定子上多點(diǎn)、某一個(gè)或幾個(gè)區(qū)域相接觸現(xiàn)象，此為常見碰摩形式。而轉(zhuǎn)定子偏摩亦屬于局部碰摩。局部碰摩過程因涉及摩擦、沖擊耦合影響，故障特征較單點(diǎn)碰摩更復(fù)雜。常見的局部碰摩裝置有多點(diǎn)碰摩、局部弧形碰摩及圓形整周碰摩裝置。為能有效跟蹤系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)定子碰摩情況，已設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)定子碰摩跟蹤裝置，主要原理通過電路導(dǎo)通與斷開監(jiān)測轉(zhuǎn)定子是否接觸，部分監(jiān)測示意圖見圖2。通過采集計(jì)算機(jī)內(nèi)電壓信號(hào)與記錄的時(shí)域波形結(jié)合，可有效鑒別系統(tǒng)發(fā)生碰摩時(shí)刻及碰摩持續(xù)時(shí)間。分析碰摩時(shí)間可確定轉(zhuǎn)定子在一周內(nèi)的碰摩次數(shù)，此可為分析碰摩導(dǎo)致的頻譜變化規(guī)律提供一定幫助。

2.1 多點(diǎn)局部碰摩實(shí)驗(yàn)

鄒新元等[23]通過施加不同大小碰摩力，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)雙點(diǎn)碰摩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，隨碰摩力的增大，系統(tǒng)振動(dòng)頻率成分增多，穩(wěn)定性下降。Lahriri等[24-25]設(shè)計(jì)出新的備用軸承裝置，見圖3，此裝置通過在軸承內(nèi)環(huán)面的圓周方向安裝4個(gè)凸出螺栓模擬多點(diǎn)固定位置碰摩。由于轉(zhuǎn)定子接觸以碰撞為主，可削弱摩擦影響，因而可避免傳統(tǒng)軸承、轉(zhuǎn)子因干摩擦導(dǎo)致的自激振動(dòng)。此外通過轉(zhuǎn)定子沖擊可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心運(yùn)轉(zhuǎn)。由于多點(diǎn)固定位置碰摩與工程實(shí)際中出現(xiàn)的碰摩存在較大差異，對(duì)其實(shí)驗(yàn)研究較少。目前大多研究局限于特殊碰摩情況，如轉(zhuǎn)子與限位裝置碰摩及特殊設(shè)計(jì)的軸承與轉(zhuǎn)子間碰摩[24-25]。

圖2 轉(zhuǎn)定子碰摩監(jiān)測裝置

圖3 轉(zhuǎn)定子多點(diǎn)碰摩裝置

2.2 局部弧形碰摩實(shí)驗(yàn)

圖4 局部弧形碰摩裝置

考慮實(shí)際工程中發(fā)生的碰摩多為弧形區(qū)域，因此設(shè)計(jì)出局部弧形裝置模擬轉(zhuǎn)定子間局部碰摩現(xiàn)象，見圖4。Muszynska[4]采用半圓弧形定子結(jié)構(gòu)模擬轉(zhuǎn)軸-定子的局部碰摩。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速小于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)主要表現(xiàn)為1X振動(dòng)；轉(zhuǎn)速約為2倍1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，出現(xiàn)1X/2分?jǐn)?shù)倍頻成分；轉(zhuǎn)速約為3倍1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，1X/2分?jǐn)?shù)倍頻消失，1X/3分?jǐn)?shù)倍頻成分出現(xiàn)；在某些轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)響應(yīng)亦具有混沌特征，三維譜圖出現(xiàn)連續(xù)譜。Pennacchi等[26]采用半圓密封裝置模擬定子，通過滑移臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)定子間隙調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同碰摩程度模擬；此裝置亦可添加力傳感器測試碰摩力，見圖4(a)。利用該裝置模擬兩固定轉(zhuǎn)速(低于、高于1階臨界轉(zhuǎn)速)下轉(zhuǎn)定子碰摩故障。結(jié)果表明兩種轉(zhuǎn)速下的頻域特征均出現(xiàn)幅值較小的高倍頻成分；低于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)碰摩轉(zhuǎn)子振動(dòng)較小，高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大。為模擬轉(zhuǎn)子與密封間碰摩故障，Hall等[27]用弧形密封件模擬定子，通過質(zhì)量塊施加不同碰摩力模擬不同碰摩情況，見圖4(b)。基于此裝置，用聲發(fā)射傳感器采集發(fā)生碰摩時(shí)聲發(fā)射故障信號(hào)發(fā)現(xiàn)，碰摩導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)偽正弦調(diào)制現(xiàn)象，并通過測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證聲發(fā)射檢測碰摩故障的可行性?？紤]不同定子材質(zhì)影響，崔淼等[28]分別采用鋁、銅、30號(hào)鋼(鐵)、45號(hào)鋼做成半圓、全圓碰摩裝置，見圖4(c)，在低于1階臨界轉(zhuǎn)速下進(jìn)行轉(zhuǎn)定子碰摩實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明鋁材料的碰摩行為更復(fù)雜，可能因其摩擦系數(shù)較?。汇~、鋼的碰摩行為較鐵復(fù)雜，因銅、鋼碰摩剛度較大。

采用局部弧形碰摩裝置模擬轉(zhuǎn)定子間碰摩與工程中出現(xiàn)的碰摩較接近，適合模擬以摩擦為主的碰摩或存在局部微小沖擊情況。

2.3 圓周局部碰摩實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)定子間碰摩會(huì)出現(xiàn)多次碰撞反彈，涉及定子內(nèi)表面多個(gè)位置。為完整模擬轉(zhuǎn)定子碰摩全過程，諸多研究用整周碰摩裝置模擬局部碰摩。

2.3.1 簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)局部碰摩

將定子內(nèi)表面設(shè)計(jì)成圓柱形，通過特定方式改變轉(zhuǎn)定子間隙調(diào)整碰摩程度。Chu等[29-30]設(shè)計(jì)的可能產(chǎn)生整周碰摩裝置，為減少轉(zhuǎn)子圓盤磨損，定子用較軟的鋁合金制作，支撐架用鋼結(jié)構(gòu)以增加定子剛度，通過更換定子內(nèi)套調(diào)節(jié)碰摩程度，見圖5(a)，模擬轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩時(shí)的振動(dòng)情況。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩時(shí)會(huì)激起2X、3X等高倍頻成分，出現(xiàn)1X/2、3X/2等1/2分?jǐn)?shù)倍頻成分，有時(shí)亦出現(xiàn)1X/3、2X/3等1/3分?jǐn)?shù)倍頻成分。隨碰摩的加劇，頻譜成分更復(fù)雜，分布范圍亦更廣。碰摩較嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生混沌現(xiàn)象，此時(shí)頻譜是連續(xù)的。王建峰等[31]假設(shè)轉(zhuǎn)軸相對(duì)定子初始偏心只在豎直方向，定子材質(zhì)為較軟的鋁合金，通過移動(dòng)定子下部楔形塊，調(diào)整轉(zhuǎn)定子豎直方向間隙，模擬不同轉(zhuǎn)定子偏心情況下局部碰摩故障，見圖5(b)。研究表明，低于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的升高依次出現(xiàn)1X/2、1X/3、1X/4系列成分；碰摩由局部碰摩轉(zhuǎn)向整周碰摩時(shí)，出現(xiàn)較“干凈”的1X及連續(xù)譜。曲秀秀等[32]設(shè)計(jì)的局部碰摩實(shí)驗(yàn)裝置見圖5(c)，定子內(nèi)套采用銅套制作，銅套為非整圓周，具有縫隙,調(diào)節(jié)螺栓時(shí)銅套與轉(zhuǎn)動(dòng)件接觸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)定子碰摩。本文用該碰摩裝置模擬轉(zhuǎn)定子局部碰摩故障發(fā)現(xiàn)，在低于系統(tǒng)1階臨界轉(zhuǎn)速情況下，輕微碰摩主要出現(xiàn)高倍頻成分；而嚴(yán)重碰摩，時(shí)域波形會(huì)出現(xiàn)明顯的“削波”現(xiàn)象，由頻譜圖可觀察到倍頻、分頻的振動(dòng)現(xiàn)象；碰摩更嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)渦動(dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)頻率和頻與差頻成分。劉耀宗等[33]基于Jeffcott轉(zhuǎn)子碰摩故障實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，工作轉(zhuǎn)速低于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)定子局部碰摩引起倍頻振動(dòng)；高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)引起分頻振動(dòng)，在某些轉(zhuǎn)速段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)異頻偽共振現(xiàn)象。本文認(rèn)為在高速轉(zhuǎn)子中，主振動(dòng)分量集中于系統(tǒng)共振頻率附近是發(fā)生局部碰摩故障的主要特征。武新華等[34]對(duì)單盤轉(zhuǎn)子進(jìn)行局部碰摩實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若轉(zhuǎn)子工作在1階臨界轉(zhuǎn)速以下，碰摩后振幅較碰摩前?。欢?dāng)轉(zhuǎn)速高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，碰摩后振幅較碰摩前大。Piccoli等[35]模擬轉(zhuǎn)定子定轉(zhuǎn)速下的碰摩故障，基于關(guān)聯(lián)維數(shù)與Lyapunov指數(shù)分析系統(tǒng)碰摩過程中出現(xiàn)的混沌運(yùn)動(dòng)。

圖5的碰摩裝置，其定子內(nèi)表面采用圓柱形，通過特定方式調(diào)整轉(zhuǎn)定子間隙實(shí)現(xiàn)碰摩，與工程中的圓周方向不定點(diǎn)碰摩較接近。現(xiàn)有研究多以小型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為對(duì)象，主要模擬剛性轉(zhuǎn)子碰摩(轉(zhuǎn)速低于1階彎曲臨界轉(zhuǎn)速)、柔性轉(zhuǎn)子碰摩(轉(zhuǎn)速高于1階彎曲臨界轉(zhuǎn)速)情況下，系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障特征及復(fù)雜非線性特性(分岔、混沌等)。

圖5 圓形整周碰摩

為方便調(diào)整轉(zhuǎn)定子徑向間隙，鄧小文等[36]將定子內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)成傾斜度約5%的錐形筒，可沿轉(zhuǎn)軸中心線往復(fù)移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)定子間隙可在0～5 mm間調(diào)節(jié)。采用圖6的碰摩裝置，劉長利等[37-40]模擬簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)局部碰摩故障，分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障非線性振動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)，對(duì)油膜力影響較小系統(tǒng)，轉(zhuǎn)定子碰摩會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生半頻及高頻分量；而滑動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，較小碰摩間隙會(huì)使系統(tǒng)在油膜渦動(dòng)前產(chǎn)生碰摩，且系統(tǒng)產(chǎn)生豐富的高頻分量；而碰摩間隙較大時(shí)，碰摩在油膜渦動(dòng)后發(fā)生，此時(shí)碰摩對(duì)系統(tǒng)影響較小，軸承油膜力對(duì)系統(tǒng)影響最大。陳宏[38]搭建雙盤懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)懸臂盤、中間盤分別進(jìn)行碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)以碰為主的碰摩行為只出現(xiàn)2X、3X等高頻成分，且碰摩時(shí)位移具有突變特征；適當(dāng)調(diào)整碰摩間隙后，會(huì)發(fā)生以摩擦為主的碰摩行為，出現(xiàn)1X/2、1X/3等亞諧波成分及2X、3X等倍頻成分。以碰為主的碰摩主要影響碰摩位置附近的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)距離碰摩位置較遠(yuǎn)區(qū)域影響較小。而以摩擦為主的碰摩對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均有影響。Ma等[39]模擬局部轉(zhuǎn)定子碰摩故障發(fā)現(xiàn)，接近1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生的碰摩以高倍頻為主，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)為正向渦動(dòng)；轉(zhuǎn)速高于1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，除高倍頻成分外，又出現(xiàn)間斷、不可公約的低頻成分，且系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)反向渦動(dòng)。考慮碰摩導(dǎo)致的分岔與混沌特性，馬輝等[40]通過轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬單一碰摩及裂紋耦合碰摩故障。結(jié)果表明，單一碰摩故障隨轉(zhuǎn)速的增加會(huì)出現(xiàn)周期性分岔，系統(tǒng)依次經(jīng)歷周期1、2、3運(yùn)動(dòng)；而裂紋耦合碰摩故障，系統(tǒng)依次經(jīng)歷周期3、2、4運(yùn)動(dòng)。

圖6 轉(zhuǎn)定子錐形整周碰摩裝置

定子內(nèi)表面采用圓錐形，且軸向位置可調(diào)，對(duì)調(diào)整、控制徑向間隙較方便，且能較準(zhǔn)確的確定轉(zhuǎn)定子間隙。但該碰摩形式較柱形表面，轉(zhuǎn)定子接觸面積小，且在碰摩過程中存在較大軸向碰摩力，與實(shí)際的碰摩形式存在一定差別。該差別對(duì)研究碰摩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響不大，但對(duì)局部碰摩力及可能存在的定子磨損與真實(shí)碰摩會(huì)有較大差別。

碰摩監(jiān)測數(shù)據(jù)大部分均為轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)位移，也有研究通過監(jiān)測定子振動(dòng)加速度、碰摩導(dǎo)致的聲信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)定子碰摩進(jìn)行故障診斷及碰撞機(jī)理分析。孫云嶺等[41]測試碰摩過程中定子振動(dòng)加速度，利用共振解調(diào)法獲得定子高頻固有振動(dòng)包絡(luò)信號(hào)，結(jié)合角度定位信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)子碰摩故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。李允公等[42]采用類似實(shí)驗(yàn)裝置[41]，通過測試定子振動(dòng)加速度信號(hào)，提出以實(shí)測沖擊響應(yīng)為基函數(shù)的特征提取方法及周期序列變換分析方法。吳峰崎等[43-44]對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子中典型碰摩故障進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子、定子脫離接觸后，頻譜圖中除基波外亦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率成分。對(duì)沖擊性局部碰摩，基頻成分無明顯減小，諧波成分不多，固有頻率成分顯著；若碰摩程度增大，頻譜上基頻成分幅值下降，會(huì)產(chǎn)生更高次諧波成分，頻譜能量更分散；碰摩故障嚴(yán)重時(shí)，諧波幅值偏高，反進(jìn)動(dòng)能量增加。萬錚等[45]采用圖4(c)類似碰摩裝置，采集銅質(zhì)、鋼質(zhì)定子材料碰摩時(shí)產(chǎn)生的聲音信號(hào)，研究碰摩聲信號(hào)在小波包變換下特征。吳峰崎等[46]分析由碰摩產(chǎn)生的聲信號(hào)表明，工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)定子局部碰摩引起的系統(tǒng)響應(yīng)中存在高階倍頻，高于1階臨界轉(zhuǎn)速后，在某些轉(zhuǎn)速段內(nèi)亦出現(xiàn)異頻偽共振現(xiàn)象。文獻(xiàn)[47-48]提出利用聲發(fā)射技術(shù)檢測轉(zhuǎn)子碰摩故障的發(fā)生，并通過定位分析找到碰摩發(fā)生位置。

2.3.2 復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)局部碰摩

考慮實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多為復(fù)雜系統(tǒng)，已建立有更接近實(shí)際的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，如雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等，通過實(shí)驗(yàn)測試碰摩后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)，給出典型故障特征。張小棟等[49]建立多支承雙跨轉(zhuǎn)子振動(dòng)試驗(yàn)研究系統(tǒng)，并對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向碰摩進(jìn)行模擬。研究表明徑向碰摩呈全譜特征，含1X、2X、3X、4X等倍頻成分，且幅值依次減小；由瀑布圖看出，徑向碰摩隨轉(zhuǎn)速的升高工頻成分略有下降，而其它頻率呈上升趨勢，高次諧波分量愈加豐富。趙榮珍等[50]研究柔性連接的雙跨撓性轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速超過1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，碰摩響應(yīng)在轉(zhuǎn)子間具有傳播能力，靠近碰摩處響應(yīng)強(qiáng)度最大；碰摩典型特征表現(xiàn)為1X分量幅值增大，并出現(xiàn)2X、3X、4X諧波分量；軸心軌跡形狀顯示出碰摩作用點(diǎn)的截面方位信息；最典型征兆表現(xiàn)為碰摩響應(yīng)1X分量對(duì)應(yīng)的幅值降低，降低幅度與碰摩程度相關(guān)。針對(duì)較大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，Torkhani等[51]通過(圖7)裝置，模擬轉(zhuǎn)子與定子間的碰摩，該裝置可通過更換不同內(nèi)置定子，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)定子間隙與不同材料定子的調(diào)整，同時(shí)在接觸面與機(jī)匣間預(yù)置力傳感器，測試碰摩過程中產(chǎn)生的接觸力；通過冰、配重調(diào)整平衡性，利用冰融化改變平衡關(guān)系，增加不平衡量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)定子局部碰摩模擬?；谠撃Ｐ蛯?shí)驗(yàn)臺(tái)研究轉(zhuǎn)子在升速通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)定子碰摩故障表明，碰摩會(huì)導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速增加；中度碰摩會(huì)激發(fā)微小高倍頻成分，且隨碰摩的發(fā)展2X、3X幅值增大；嚴(yán)重碰摩類似中度碰摩的頻譜結(jié)構(gòu)，不同點(diǎn)在于1X、2X幅值增大。

圖7 整周碰摩裝置

考慮碰摩激發(fā)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特征，鄧小文等[36]利用新型多自由度雙盤轉(zhuǎn)定子碰摩實(shí)驗(yàn)器，研究轉(zhuǎn)定子碰摩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子彎曲、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。結(jié)果表明碰摩發(fā)生時(shí)，響應(yīng)中會(huì)出現(xiàn)次諧波及超諧波振動(dòng)成分，碰摩后主要激起扭轉(zhuǎn)自振頻率成分，扭振中無直接與工頻振動(dòng)相關(guān)成分。Huang[52]通過研究轉(zhuǎn)定子碰摩導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性表明，碰摩時(shí)扭轉(zhuǎn)固有頻率frub大于未碰摩時(shí)扭轉(zhuǎn)固有頻率fori，若轉(zhuǎn)頻大于最大的frub，將激發(fā)1X、2X及最大的frub，且frub為一定值；若轉(zhuǎn)頻介于fori與frub之間，會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振，即frub等于轉(zhuǎn)頻；若轉(zhuǎn)頻小于fori，將激發(fā)frub、1X、2X(或3X)，frub將隨轉(zhuǎn)頻的增加而增大。

在實(shí)際轉(zhuǎn)定子系統(tǒng)發(fā)生的碰摩故障中，亦會(huì)出現(xiàn)自由轉(zhuǎn)子與定子間碰摩。如電磁軸承斷電時(shí)，轉(zhuǎn)軸掉落并與備用軸承內(nèi)壁碰撞。AMB(主動(dòng)電磁軸承)失效后轉(zhuǎn)子墜落在備用軸承上發(fā)生碰摩后動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的重復(fù)性較差。基于此，祝長生等[53-54]提出能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)子墜落位置方法。即采用AMB支撐的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，研究轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速、不平衡量及備用軸承碰撞面的潤滑條件等對(duì)AMB失效后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)影響。研究結(jié)果表明，多數(shù)情況下AMB失效后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)間隙圓底部擺動(dòng)及整個(gè)間隙圓范圍內(nèi)碰撞型回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。AMB失效后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)大小與轉(zhuǎn)子在AMB失效前振動(dòng)、轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速及備用軸承碰撞面的潤滑條件等密切相關(guān)。Fumagalli等[55-56]通過搭建轉(zhuǎn)子-軸承局部碰摩裝置，模擬轉(zhuǎn)子及石墨定子圓環(huán)間碰摩，并通過力傳感器測試轉(zhuǎn)定子間接觸力、接觸時(shí)間。Keogh等[57]基于小型轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用電磁軸承產(chǎn)生的電磁激振力模擬轉(zhuǎn)子不平衡激振力，分析系統(tǒng)在正常、不對(duì)中情況下，轉(zhuǎn)子與備用軸承碰摩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)。研究結(jié)果表明采用電磁激振力模擬實(shí)際轉(zhuǎn)子的不平衡，可減少高轉(zhuǎn)速下獲得轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的困難。

針對(duì)實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及渦輪增壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，晏礪堂等[58]采用結(jié)構(gòu)類似某型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的簡化系統(tǒng)模型進(jìn)行碰摩實(shí)驗(yàn)，考慮碰摩發(fā)生在高壓轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間，通過測試機(jī)匣振動(dòng)，分析雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障特征。研究結(jié)果表明發(fā)生偏摩故障時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)除轉(zhuǎn)子基頻外，亦會(huì)出現(xiàn)多種倍頻、分頻及兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的多種組合頻率。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，王四季等[59]設(shè)計(jì)出可模擬局部碰摩故障的實(shí)驗(yàn)裝置。利用對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器，研究高、低壓轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)時(shí)單獨(dú)、同時(shí)發(fā)生局部碰摩時(shí)的振動(dòng)特性。結(jié)果表明對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)生局部碰摩時(shí)，定子振動(dòng)信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)高倍頻、分?jǐn)?shù)倍頻及組合頻率成分。楊金福等[60]對(duì)某高速壓氣機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)空氣循環(huán)制冷機(jī)軸系進(jìn)行非線性振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究，分析軸系碰摩非線性特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明臨界轉(zhuǎn)速下碰摩特征是轉(zhuǎn)子周期1的橫向自由振動(dòng)，且在碰摩瞬間軸頸被彈回導(dǎo)致振動(dòng)位移減?。坏皖l耦合共振碰摩特征是轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)準(zhǔn)周期1的高低頻疊加運(yùn)動(dòng)，低頻振動(dòng)幅值急劇增大導(dǎo)致軸心運(yùn)動(dòng)存在嚴(yán)重削峰現(xiàn)象。

復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)較簡單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)更接近實(shí)際，其中涉及多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩，除關(guān)注典型碰摩特征外，亦關(guān)注碰摩響應(yīng)在轉(zhuǎn)子間的傳播能力、碰摩對(duì)扭轉(zhuǎn)固有頻率的激發(fā)能力及對(duì)系統(tǒng)彎扭耦合振動(dòng)影響，由于涉及較復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測試，目前研究較少。而對(duì)跌落轉(zhuǎn)子及備用軸承碰摩在電磁軸承領(lǐng)域已成研究熱點(diǎn)。對(duì)大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、雙轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子等與工程實(shí)際較接近的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩研究，亦愈受關(guān)注。

2.3.3 旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣局部碰摩

針對(duì)葉片-機(jī)匣局部碰摩，基于沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器，對(duì)葉片-機(jī)匣碰摩進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作，并獲得有價(jià)值研究結(jié)果。李勇等[61-62]研究葉片-機(jī)匣兩點(diǎn)碰摩與偏摩狀態(tài)下葉片載荷的測試方法，測試葉片在碰摩力沖擊與摩擦作用下振動(dòng)特性，分析葉片與機(jī)匣所受沖擊力載荷及頻譜；模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不平衡力及各種碰摩力作用下的故障現(xiàn)象，測試并分析轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在故障與正常狀態(tài)下的相位變化。研究表明在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子相位差出現(xiàn)較明顯變化，進(jìn)一步證明轉(zhuǎn)定子間出現(xiàn)的碰摩現(xiàn)象。高艷蕾等[20]研究葉片-機(jī)匣間發(fā)生偏摩情況時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明發(fā)生偏摩時(shí)，各階 (含倍頻、分頻)成分逐漸增多，倍頻階次越低其振動(dòng)幅值遞增幅度越大；偏摩不僅帶來豐富倍頻，在各倍頻成分兩側(cè)亦出現(xiàn)相差15～30 Hz的頻譜成分，本文將其定義為“邊頻現(xiàn)象”。陳果等[63]亦采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬葉片-機(jī)匣局部碰摩故障，研究結(jié)果表明在達(dá)臨界轉(zhuǎn)速前，碰摩產(chǎn)生的高次諧波較大；在達(dá)臨界轉(zhuǎn)速后，碰摩產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次諧波較大；支承彈性增加，碰摩產(chǎn)生的倍頻、分頻現(xiàn)象減少；較大碰摩剛度會(huì)導(dǎo)致更多倍頻、分頻，甚至出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。于明月等[64]提出基于機(jī)匣應(yīng)變信號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩部位識(shí)別技術(shù)，結(jié)果表明沿機(jī)匣周向應(yīng)變均值特征可有效識(shí)別碰摩部位，且魯棒性較好。Ahrens等[65]通過模型實(shí)驗(yàn)研究葉片、機(jī)匣碰摩產(chǎn)生的接觸力，確定侵入量與法向接觸力間關(guān)系，測定葉片-機(jī)匣碰摩過程中法向力與切向力時(shí)間歷程曲線，研究摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速間依賴關(guān)系。該碰摩實(shí)驗(yàn)在低轉(zhuǎn)速下圍繞直板葉片進(jìn)行，與實(shí)際葉片工作轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)差距較大。為此，Padova等[66-67]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下葉片-機(jī)匣的碰摩問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì)不同碰摩侵入量進(jìn)行測試，測量葉片-機(jī)匣接觸過程中碰摩力及葉片動(dòng)應(yīng)力，分析碰摩導(dǎo)致的非線性特性。Groll等[68]建立小型帶懸臂盤片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣碰摩誘發(fā)的低頻亞諧振動(dòng)響應(yīng)的發(fā)生機(jī)理。研究表明轉(zhuǎn)定子系統(tǒng)(忽略轉(zhuǎn)定子間隙)的共振頻率與轉(zhuǎn)速之比是影響系統(tǒng)頻率結(jié)構(gòu)的主要因素。

針對(duì)葉片與含可磨耗涂層機(jī)匣間碰摩的研究國內(nèi)未見報(bào)道。為驗(yàn)證單葉片與可磨耗涂層機(jī)匣間碰摩機(jī)理，Rathmann等[69]設(shè)計(jì)出高速磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考慮侵入速率、周向速度影響，分析接觸力、接觸溫度及試件磨損情況。Millecamps等[70]通過專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究葉片與可磨耗涂層機(jī)匣間碰摩現(xiàn)象，研究表明葉片與機(jī)匣間接觸狀況(與摩擦熱及涂層磨損等因素有關(guān))對(duì)葉片的振動(dòng)特性影響較大。Padova等[71]研究葉片與兩種涂層材料(金屬基涂層、copper/Teflon涂層)機(jī)匣間碰摩，結(jié)果表明機(jī)匣涂層可減小碰摩載荷與葉片的動(dòng)應(yīng)力，涂層材料磨損量高轉(zhuǎn)速大于低轉(zhuǎn)速；對(duì)copper/Teflon軟材料涂層，輕微、中度碰摩時(shí)碰摩力較?。粐?yán)重碰摩發(fā)生時(shí)，葉尖侵入到Teflon層會(huì)導(dǎo)致碰摩力較大。Stringer等[72]基于高速模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)葉片影像與掃描電鏡的分析、涂層頻閃觀察，分析可磨耗涂層的磨損機(jī)理。研究表明侵入速率對(duì)磨損機(jī)理影響較大，低侵入速率較高侵入速率粘附及磨損現(xiàn)象更明顯，且可磨耗涂層的粘附主要由涂層“拉拔”并非傳統(tǒng)“切割”所致。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣碰摩的實(shí)驗(yàn)研究，國內(nèi)目前多專注于故障診斷層面，前期主要關(guān)注于診斷碰摩故障的有無、提取不同碰摩程度的故障特征，而后期則更關(guān)注于診斷故障位置。國外注重碰摩機(jī)理研究，專注碰摩局部特征，如碰摩所致葉片局部損傷、涂層磨損機(jī)理等，而國內(nèi)對(duì)此的實(shí)驗(yàn)研究尚存較大不足。

2.3.4 實(shí)際機(jī)組轉(zhuǎn)定子碰摩

訾艷陽等[73]以某電廠50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組高壓缸轉(zhuǎn)子碰摩為例研究表明，碰摩故障會(huì)使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)周期2運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生1X/2系列頻率。Gao等[74]對(duì)某H型齒輪耦合壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子-軸承碰摩故障分析結(jié)果表明，碰摩會(huì)致較大1X/2亞諧波成分出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)呈反向渦動(dòng)，通過減小軸承間隙、增加潤滑油粘度、降低油溫、調(diào)整軸系間對(duì)中性，使軸系振動(dòng)恢復(fù)正常。Beatty[75]對(duì)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、美航天飛機(jī)低壓燃料泵的碰摩分析后指出，碰摩會(huì)致高頻成分(如2X、3X等)出現(xiàn)，且2X幅值大于3X；超臨界運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能出現(xiàn)亞諧失穩(wěn)而不會(huì)出現(xiàn)高次諧波，各諧波幅值與碰摩程度有關(guān)。戈志華等[76]對(duì)某電廠200 MW機(jī)組發(fā)生的轉(zhuǎn)定子碰摩故障進(jìn)行分析，結(jié)果表明碰摩較輕時(shí)，除出現(xiàn)2X、3X等倍頻分量外，亦出現(xiàn)大量低頻成分；隨碰摩的加劇，摩擦力作用增強(qiáng)，低頻分量減少；嚴(yán)重碰摩時(shí)出現(xiàn)nX/2(n=1,3,5,7)分量及2X、3X等高次諧波。陸頌元等[77]通過分析秦嶺電廠四號(hào)機(jī)組200 MW汽輪機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子與油擋碰摩頻譜特征表明，回轉(zhuǎn)機(jī)械徑向碰摩在同步、超同步區(qū)表現(xiàn)為同步振幅增大及出現(xiàn)高階分量。同步分量在約7 min內(nèi)增大兩倍，2X分量同時(shí)增加，3X、4X、5X分量出現(xiàn)并增加，此為碰摩的關(guān)鍵特征。

由實(shí)際機(jī)組出現(xiàn)的局部碰摩案例分析看出，碰摩特征主要為高倍頻成分(2X、3X等)及1X/2系列頻率(1X/2、3X/2)。隨碰摩程度的增加可能出現(xiàn)反向渦動(dòng)、高頻幅值增大等特征，該特征的出現(xiàn)與轉(zhuǎn)速及機(jī)組碰摩程度密切相關(guān)。

3 整周碰摩故障實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

整周碰摩指轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中始終與定子接觸且接觸位置沿定子整周運(yùn)動(dòng)的碰摩形式，即整周碰摩只有摩擦效應(yīng)而無碰撞效應(yīng)[41]。整周碰摩為較嚴(yán)重的碰摩階段，在實(shí)際機(jī)組中較少出現(xiàn)，因而此實(shí)驗(yàn)研究較少，現(xiàn)有研究多關(guān)注于干摩擦導(dǎo)致的自激振動(dòng)。

圖8 轉(zhuǎn)子-密封整周碰摩裝置

戴興建等[78-80]設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子與限位器的碰摩實(shí)驗(yàn)裝置，完成轉(zhuǎn)子與限位器局部及整周碰摩實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明在激振擾動(dòng)力幅度較小時(shí)，限位器能有效限制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)大幅度低頻反進(jìn)動(dòng)，同時(shí)碰摩沖擊會(huì)改變轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)的瞬間特性，從而制止低頻進(jìn)動(dòng)幅度的繼續(xù)增加，碰摩間斷發(fā)生、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持恒定。局部碰摩轉(zhuǎn)子響應(yīng)FFT譜除主要成分為激勵(lì)頻率外，亦含因碰摩導(dǎo)致的分?jǐn)?shù)倍主頻、倍頻及部分頻段連續(xù)分布頻率，激勵(lì)越大碰摩頻度越高，頻率分布越廣。激振力較大時(shí)，高頻次碰摩沖擊會(huì)引發(fā)整周碰摩運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子整周碰摩特征為低頻反進(jìn)動(dòng)向高頻正進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，自轉(zhuǎn)速度迅速下降，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)動(dòng)能經(jīng)摩擦轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子軸心振蕩動(dòng)能，并伴隨連續(xù)的摩擦耗散。Yu等[81-82]基于圖8轉(zhuǎn)子-密封整周碰摩模擬裝置，分析反向渦動(dòng)整周碰摩的出現(xiàn)條件及故障特征，結(jié)果表明轉(zhuǎn)子-密封間隙小且無外載荷時(shí)，轉(zhuǎn)子升速或降速過程經(jīng)臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)，可能出現(xiàn)干摩擦失穩(wěn)；干摩擦失穩(wěn)頻率保持恒定，其頻率介于無密封臨界轉(zhuǎn)速與有密封臨界轉(zhuǎn)速之間；密封剛度對(duì)失穩(wěn)頻率影響較大。

4 不同碰摩故障特征總結(jié)

由以上文獻(xiàn)分析看出，在不同碰摩形式及程度下，系統(tǒng)故障特征差別較大。對(duì)不同的碰摩形式而言，考慮定子的輔助支承作用，均會(huì)使臨界轉(zhuǎn)速不同程度增大；考慮定子的阻礙作用，時(shí)域波形均會(huì)出現(xiàn)不同形式的“削波”現(xiàn)象。對(duì)單點(diǎn)碰摩、局部碰摩、整周碰摩三種典型故障特征形式描述，見表1。

表1 不同碰摩形式故障特征

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)國內(nèi)外有關(guān)碰摩實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展歸納、總結(jié)，以期發(fā)現(xiàn)存在問題，促進(jìn)該研究發(fā)展。結(jié)論如下：

(1) 據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，基于動(dòng)力相似原理，構(gòu)建更接近實(shí)際工程的縮比模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)與模擬的真實(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性相似；設(shè)計(jì)符合實(shí)際工況的轉(zhuǎn)定子碰摩及輔助測試裝置，如真實(shí)密封、葉片等結(jié)構(gòu)。

(2) 利用先進(jìn)的測試儀器(如力傳感器、高速攝像機(jī)、遙測應(yīng)變儀、激光位移傳感器等)測試多種表征碰摩狀態(tài)的定性、定量參數(shù)，如法向、切向碰摩力測量，影像監(jiān)測轉(zhuǎn)子碰撞反彈過程，旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力等。通過實(shí)測數(shù)據(jù)，完成理論模型驗(yàn)證與修訂，如對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模需修訂系統(tǒng)支承剛度、結(jié)構(gòu)阻尼等，對(duì)碰摩模型需識(shí)別定子在不同變形情況下時(shí)變接觸剛度，對(duì)磨損模型尚需確定滑移距離及接觸壓力等。

(3) 加強(qiáng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)采集與監(jiān)測，研究碰摩導(dǎo)致的彎扭耦合振動(dòng)；繼續(xù)加強(qiáng)非旋轉(zhuǎn)件信號(hào)采集與監(jiān)測方法研究，如定子件的加速度、聲信號(hào)、應(yīng)變、應(yīng)力波信號(hào)等，進(jìn)而提取碰摩導(dǎo)致定子的典型故障特征。

(4) 不同機(jī)組及不同型號(hào)采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，如汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等，亦存在某些干擾，如流場、溫度場、電磁場等，會(huì)使實(shí)際機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M信號(hào)有較大差距。因此，如何考慮該潛在影響，更加真實(shí)模擬實(shí)際機(jī)組碰摩情況以及如何實(shí)現(xiàn)將模型實(shí)驗(yàn)研究成果應(yīng)用于實(shí)際機(jī)組中，找到工程實(shí)際信號(hào)與實(shí)驗(yàn)室測試信號(hào)之間的共性，從而更好的為工程實(shí)際服務(wù)，均為目前實(shí)驗(yàn)研究難題。

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