基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的風(fēng)機(jī)裂紋故障仿真研究

白 潔 陳春蘋(píng) 王 芃 殷愛(ài)鈞 梁 磊

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作北京中心 北京）

一、引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、航空、航天、機(jī)械制造等各部門(mén)，大部分都屬于工廠中的關(guān)鍵設(shè)備。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障仿真中，對(duì)具體風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建模，從旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理和特征入手，仿真了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裂紋故障，探究一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的新的故障預(yù)測(cè)與故障診斷方法。

二、帶裂紋故障的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模

整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)、液力耦合器、加速機(jī)、風(fēng)機(jī)組成，單吸入多級(jí)雙支撐結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)的進(jìn)出氣口分別位于定子兩端，方向均為側(cè)向垂直向下。風(fēng)機(jī)兩端采用滑動(dòng)軸承，軸承與齒輪的潤(rùn)滑由潤(rùn)滑油站的油泵強(qiáng)制潤(rùn)滑。電機(jī)轉(zhuǎn)速2985 r/min，電機(jī)功率1120 kW，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速4800 r/min，風(fēng)機(jī)定子質(zhì)量14 916 kg，轉(zhuǎn)子組質(zhì)量1246.5 kg，低壓側(cè)葉輪316 kg，高壓側(cè)葉輪309.2 kg。

適當(dāng)簡(jiǎn)化后，風(fēng)機(jī)的虛擬樣機(jī)模型如圖1、圖2，包括低壓側(cè)葉輪，高壓側(cè)葉輪，風(fēng)機(jī)主軸，滑動(dòng)軸承和機(jī)殼。

三、風(fēng)機(jī)主軸的靜力分析

風(fēng)機(jī)主軸材料為45#鋼，彈性模量200 GPa，泊松比 0.3，密度 7800 kg/m3。建立有限元模型前，先對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略螺孔、倒角、退刀槽等細(xì)小局部的影響。

ANSYS在對(duì)不規(guī)則空間實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，往往只能采用4面體單元，不但會(huì)大大增加單元的個(gè)數(shù)，浪費(fèi)資源，而且還會(huì)造成計(jì)算精度的下降，因此，在進(jìn)行三維仿真分析時(shí)，在允許的情況下應(yīng)盡量采用6面體單元來(lái)建模。

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)主軸的靜力分析時(shí)，將主軸單元簡(jiǎn)化為前端(低壓側(cè)葉輪端)固定、后端游動(dòng)的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)。在安裝軸承處施加約束，其中在靠近低壓側(cè)葉輪端的軸承處讓UX=UY=UZ=0，在靠近高壓側(cè)葉輪端的軸承處讓UY=UZ=0。將兩葉輪的重力施加在主軸相應(yīng)位置圓柱的上表面，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩施加在葉輪主軸相應(yīng)位置圓柱的下表面，并以力的形式平均加載在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。低壓側(cè)葉輪重力F1=3096.8 N，高壓側(cè)葉輪重力F2=3030.16 N，輸入轉(zhuǎn)矩M=3583 N·m。施加約束和載荷后的風(fēng)機(jī)主軸單元有限元模型如圖3所示。

圖1 風(fēng)機(jī)機(jī)殼虛擬樣機(jī)模型

圖1 噴碼偏離模擬圖

圖3 風(fēng)機(jī)主軸有限元模型

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在低壓側(cè)葉輪一端軸肩根部（與現(xiàn)場(chǎng)裂紋產(chǎn)生的位置一致）。在負(fù)荷較大的情況下，此處最易遭到破壞。圖4為風(fēng)機(jī)主軸受載情況下第一、第三和von-mises應(yīng)力分布云圖。

四、帶裂紋故障的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析

為了模擬有裂紋故障的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性，在低壓側(cè)葉輪一端軸肩根部，即最大應(yīng)力處，建立一整周最深為4 mm的裂紋（圖5），并生成相應(yīng)的mnf中性文件。

圖4 風(fēng)機(jī)主軸的應(yīng)力分布

此外，該風(fēng)機(jī)所用軸承是滑動(dòng)軸承，當(dāng)工作角速度由零逐漸上升至ω時(shí)，軸頸與軸承表面間自然形成收斂楔隙的卷吸效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，油膜力逐漸托起轉(zhuǎn)子。理想工作狀態(tài)下，軸頸中心是沿著一條靜態(tài)平衡線(xiàn)上浮，直到油膜中產(chǎn)生的合力與軸頸上作用的載荷平衡時(shí)，軸頸中心就穩(wěn)定在靜態(tài)平衡線(xiàn)上某一點(diǎn)，即靜態(tài)工作點(diǎn)處。在一般工況下，轉(zhuǎn)子實(shí)際處于受外界擾動(dòng)的非穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)軸頸的中心繞著靜態(tài)工作點(diǎn)渦動(dòng)，油膜中除了產(chǎn)生上述的靜態(tài)油膜力外，還將派生出由軸頸的位移和速度擾動(dòng)產(chǎn)生的附加動(dòng)態(tài)油膜力，而轉(zhuǎn)子則是在外激勵(lì)和動(dòng)態(tài)油膜力的共同作用下處于非定常狀態(tài)工作的。油膜的動(dòng)態(tài)特性可用相應(yīng)的剛度和阻尼矩陣表示，即式（1）。

油膜軸承的動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示，kx，y，ky，x，cx，y，cy，x分別稱(chēng)為交叉剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù)，它們表示油膜力在兩個(gè)相互垂直方向的耦合作用。油膜剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和軸頸上作用的質(zhì)量，表示未擾動(dòng)時(shí)油膜力對(duì)軸頸的動(dòng)力學(xué)特性。但上述8個(gè)系數(shù)是相對(duì)于一個(gè)平衡位置，即平衡位置與8個(gè)系數(shù)是相互對(duì)應(yīng)的，工程上把考慮油膜動(dòng)特性的滑動(dòng)軸承當(dāng)作彈性支撐考慮。

通過(guò)對(duì)支撐點(diǎn)處振動(dòng)情況的測(cè)試可以看出，當(dāng)有裂紋存在時(shí)，時(shí)域圖中低壓側(cè)葉輪端的振動(dòng)幅值明顯偏高，激起了振動(dòng)的高階成分，2×、3×和4×并伴隨有明顯的1/2×和3/2×的分頻成分，從轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征的軸心軌跡可以看出，低壓側(cè)葉輪端軸心軌跡為明顯的8字形。除此之外，轉(zhuǎn)子軸心振動(dòng)特征含有較明顯的一、二、三階正進(jìn)動(dòng)和一、二、三階反進(jìn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子振動(dòng)的正、反進(jìn)動(dòng)量，都準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)軸裂紋故障。圖7、圖8分別為風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)和有裂紋故障彎曲振動(dòng)時(shí)的時(shí)頻圖和軸心軌跡。

五、結(jié)論

將虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裂紋故障研究中。對(duì)建立的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真，從中提取了有效的故障信號(hào)，總結(jié)了故障的特征現(xiàn)象?；谔摂M樣機(jī)的故障仿真技術(shù)，使整個(gè)故障過(guò)程更加直觀清晰地呈現(xiàn)在人們的面前，其重復(fù)性大大方便了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理工作，很大程度上提高了診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 裂紋主軸的有限元模型

圖6 油膜軸承的動(dòng)力學(xué)模型

圖7 時(shí)頻圖

圖8 軸心軌跡