[发明专利]过盈力不足-偏心耦合故障转子系统动力学建模的方法

说明书

本发明提供一种过盈力不足‑偏心耦合故障转子系统动力学建模的方法，基于Hertz接触理论的碰摩模型，建立盘轴间隙接触模型；同时，根据转子系统结构振动原理，将偏心故障添加到转子系统中；将盘轴接触理论和结构振动模型相结合，从而建立过盈力不足‑偏心耦合故障转子系统动力学模型。在模型建立时，假设转盘安装在轴的正部位，同时为了研究盘轴松动‑偏心耦合故障系统的特性，忽略其它部位可能对转子造成的涡动影响。本发明针对在工程实际中，转子系统的工作条件复杂多样，采用盘轴接触理论和转子系统的振动原理，建立过盈力不足‑偏心耦合故障模型，更加符合工程实际，同时可以分析过盈力不足与偏心故障对转子系统的影响。

技术领域

本发明涉及动力学仿真技术，特别涉及一种过盈力不足-偏心耦合故障转子系统动力学建模方法。

背景技术

松动故障是旋转机械中较为常见的一种故障，其中松动故障分为两种：旋转部件松动和非旋转部件松动。盘轴部分作为转子机械的主要做功部件，其工作环境复杂多样，容易发生故障，当盘轴发生松动故障时，盘轴松动会导致整个转子系统的振动增加，也会产生其他的孪生故障，对整个转子系统的振动特性造成很大的影响；转盘的偏心故障会增加转子系统的振动，当盘轴松动与偏心故障同时发生时，整个转子系统的振动特性和非线性特性会发生很大变化，所以研究转子系统的过盈力不足盘轴松动-偏心耦合故障是很有必要的。

目前关于非旋转部件的研究较多，Behzad^[1-2]建立了简单的盘轴松动模型，通过数值仿真方法分析盘轴松动的影响因素和振动特性，仅假设盘轴处于大间隙情况下，假设转盘转轴总是处于接触状态，这与实际情况明显不符。韦淞瀚^[3-4]等建立了盘轴松动的动力学模型，对盘轴接触应力及系统的振动特性进行了分析。刘杰^[5-6]等对盘轴松动故障进行建模仿真，分析了不同的结构参数对系统运动状态的影响，并分析了油膜力对盘轴松动故障系统振动的影响。

虽然盘轴松动动力学建模取得了一定的进展，但仍存在一定的问题。忽略了转盘与转轴之间的相互运动，当盘轴松动故障发生时，转盘与转轴之间不是总接触的，可能存在接触-松动-接触的阶段；同时，当盘轴松动故障发生时，整个转子系统的振动加剧，破坏转子系统的稳定性，会导致一系列的孪生故障发生；同时当偏心故障发生时，转盘会出现偏心力，偏心力会导致盘轴松动故障的加剧，使得过盈力不足转子系统的振动特性变得更加复杂。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种过盈力不足-偏心耦合故障转子系统动力学模型建立的方法，解决现有的转盘与转轴间松动问题，分析盘轴松动耦合故障等对转子系统的影响，为转子动力学相关的研究提供依据。

本发明的目的是这样实现的。一种过盈力不足-偏心耦合故障转子系统动力学模型建立的方法，其步骤如下：

1)基于Hertz接触理论的碰摩模型，建立盘轴间隙接触模型，其中：o₁为转轴的形心，坐标为(x₁,y₁)；o₂为转盘的形心，坐标为(x₂,y₂)；转盘的质心为c，转盘的角位移为θ；F_r、F_t分别为转盘对转轴径向力和切向摩擦力；提出如下假设：

1.1)在整个接触过程中，假设盘轴均为刚性体，两者之间的径向力在接触的公法线上，同时忽略盘轴接触时两者间的阻尼效应；

1.2)盘轴接触模型满足库伦接触模型，当两者间的摩擦系数为μ时，两者的摩擦力为F_t＝μF_r；

转盘与转轴均为有一定厚度和宽度的圆盘，故转盘与转轴间的接触可看作为两个圆的内接触，根据赫兹接触原理，盘轴间法向接触力为：

其中，δ和α分别为嵌入深度和结构常量；