转子-轴承系统碰摩故障自愈调控原理与方法研究

本项目研究一种旋转机械转静碰摩故障防范和在线消除的原理与方法。转静碰摩是旋转机械常见的一种故障，也是影响其运转周期和可靠性的主要因素。碰摩通常表现为其它故障的间接结果，这些故障主要有不平衡、不对中、瞬态冲击、失稳和间隙不当等。本项目以整体齿轮增速式离心压缩机高速轴为例，研究这样一种自愈机制，通过可控的静子给转子施加径向向内的力，其幅值、相位和频率可以根据需要在一定范围内变化。当转子振动加剧或碰摩发生时，该机制通过识别故障特征和相互作用关系，进行故障概率及后果风险分析、确定自愈的必要性；进而进行系统有序稳定区域及界限判别，确定故障自愈调控和修复的方法，执行相应的控制策略；通过容错系统判别系统是否真的处于异常状态，防止误自愈或者派生其它不良后果。在碰摩没发生时，该机制抑制产生碰摩的原因，使其不具备碰摩的条件；在发生碰摩时，该机制致力于减轻接触力和增加稳定性，防治产生更严重的后果。

减小动静间隙是实现透平机械高性能的重要手段，由此而引起的动静碰摩故障得到工程技术人员的高度重视。碰摩通常表现为其它故障的间接结果，主要有不平衡、不对中、失稳、瞬态冲击和间隙不当等。本项目以离心压缩机高速转子为例，研究一种旋转机械转静碰摩故障防范和在线消除的原理与方法，通过建立自愈机制，抑制产生碰摩的原因。项目研究主要工作及成果如下：. 1. 碰摩故障的动力学机理及诊断。研究了转子转速、转子系统上的不平衡量的分布、径向和轴向碰摩刚度以及动静间隙等对系统的影响。在此基础上，研究圆柱轴承、椭圆轴承、四油页轴承、四瓦可倾瓦轴承和五瓦可倾瓦轴承支撑的转子在经受碰摩故障时的动力学响应的区别。并且在小型Bently RK4试验台、中型自愈调控试验台和大型转子稳定性试验台上进行了轻度，中度和重度的碰摩故障实验研究。. 2. 工频故障的自愈调控。设计并搭建了基于电磁力的转子振动故障自愈调控实验台。通过提供电磁力实现转子系统激振力的消除，并且电磁力的旋转频率是可控的，这就突破了传统质量式振动控制装置只能进行转子同频振动控制的局限性，为除工频外的其他谐频振动的控制提供了可能。并考虑自寻最优控制的特点和要求，建立转子振动寻优控制模型。在此基础上，针对三种不同的控制策略，开展了实验研究，结果表明，本项目中提出的控制策略对通频振动的控制有很好的控制效果。. 3. 不对中故障的自愈调控。进行了二倍频振动控制的实验研究，结果表明二倍频振动得到明显抑制。考虑多频率复合振动的存在，进行了多频复合振动控制方法的理论论述，并进行了多频复合电磁控制力生成实验，结果表明本系统中所用电磁控制力完全具备这种能力。. 4. 失稳故障的机理、识别与调控。进行了转子稳定性影响因素的研究，包括密封的动力学参数的数值模拟方法、轴承参数以及承载形式等。在此基础上，对转子系统稳定性的判定方法进行了大量的实验研究。结合现场工程案例，分析原因并提出解决失稳故障的措施。 . 项目研究紧密结合当前高端压缩机组发展过程中的重大需求，理论结合试验，研究了预防或抑制碰摩故障的自愈机制。该机制通过可控的静子给转子施加径向向内的力，其幅值、相位和频率可以根据需要在一定的范围内变化，同时通过识别故障的特征，执行相应的控制策略以实现故障自愈的目的。本项目的研究可为研制高性能高可靠度的离心压缩机提供理论基础。