付忠廣，邊技超，楊金福

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰磨故障的試驗(yàn)

付忠廣1，邊技超1，楊金福2

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

建立單跨、四圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的高速氣體靜壓軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的碰磨故障進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，呈現(xiàn)了軸向碰磨與徑向碰磨，低頻引起的碰磨與工頻引起的碰磨等碰磨故障現(xiàn)象，通過(guò)分析系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性、軸心運(yùn)動(dòng)軌跡、分岔圖、伯德圖及時(shí)間-頻率-幅值三維譜圖等給出了各種碰磨故障的典型特征，并分析了軸向碰磨與徑向碰磨，低頻引起的碰磨與工頻引起的碰磨等碰磨故障之間的特征區(qū)別。為碰磨故障的識(shí)別與碰磨故障診斷系統(tǒng)的建立提供了一些試驗(yàn)依據(jù)。

振動(dòng)與波；機(jī)械學(xué)；氣體軸承轉(zhuǎn)子；碰磨故障；故障診斷；軸心軌跡

軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰磨故障屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性振動(dòng)故障之一，碰磨發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，導(dǎo)致的后果會(huì)越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的徹底報(bào)廢[1]。碰磨主要分為徑向碰磨和軸向碰磨[2]。

現(xiàn)在對(duì)徑向碰磨的研究較多，江波等人建立了局部碰磨轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Lyapunov-Floquet變換的解析方法從理論上分析了局部碰磨轉(zhuǎn)子的分叉行為[3]。崔淼等人通過(guò)制造不同材料的碰磨裝置，對(duì)各種材料產(chǎn)生的碰磨行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]。另外現(xiàn)在對(duì)以軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為核心部件的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行中產(chǎn)生的軸向碰磨現(xiàn)象研究較少，張根勝、丁千和陳予恕等人通過(guò)建立軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)考慮徑向碰磨力的運(yùn)動(dòng)微分方程，推導(dǎo)出圓盤(pán)與封嚴(yán)圈之間軸向碰磨力與摩擦力的計(jì)算公式，并進(jìn)一步建立相應(yīng)振動(dòng)方程，得到了轉(zhuǎn)子靜子之間軸向間隙對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響[5，6]。陳虹微[7]通過(guò)建立碰摩振動(dòng)模型，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)離心壓縮機(jī)運(yùn)行中的碰摩故障進(jìn)行了研究，并分析了其影響因素，及改進(jìn)方法。單穎春等人[8]針對(duì)渦輪增壓器出現(xiàn)的轉(zhuǎn)靜子碰磨故障進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，得出了其振動(dòng)特點(diǎn)，并找出了發(fā)生碰磨故障的主要原因。

本文建立單跨、四圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的高速氣體靜壓軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的碰磨故障進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)中不僅呈現(xiàn)了徑向碰磨、軸向碰磨，而且發(fā)現(xiàn)了徑向碰磨中由低頻振動(dòng)引起的徑向碰磨與由工頻振動(dòng)引起的徑向碰磨的不同，對(duì)進(jìn)一步研究碰磨的機(jī)理、識(shí)別與碰磨故障診斷系統(tǒng)的建立提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)

高速氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)本體為渦輪和壓氣機(jī)同軸、單跨、四圓盤(pán)結(jié)構(gòu)?？諝鈮嚎s機(jī)能夠提供壓力為0.9 MPa以下、溫度為常溫的高壓氣源，供氣系統(tǒng)可提供0.3 MPa～0.85 MPa的干燥、純凈的軸承支路用氣及驅(qū)動(dòng)氣，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)情況并提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

圖1 氣體軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)控制及測(cè)試系統(tǒng)

在壓氣機(jī)與渦輪端部分別布置兩個(gè)相互垂直的電渦流傳感器，測(cè)量X和Y方向的振動(dòng)幅值，另外在壓氣機(jī)端部布置一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。

2 碰磨試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 軸向碰磨

圖2是第一次試驗(yàn)中轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中渦輪端水平測(cè)點(diǎn)的時(shí)間—轉(zhuǎn)速—幅值三維譜圖，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為時(shí)間，該譜圖顏色的深淺變化代表振幅值大小，顏色越亮表示振幅越大。

由圖2可以看出，A點(diǎn)為軸向碰磨點(diǎn)。A點(diǎn)之前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為767.48 Hz/46 049 r/min，A點(diǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速突變?yōu)?66 Hz/45 978 r/min，隨后轉(zhuǎn)速上升，恢復(fù)為767.1 Hz/46 026 r/min。另外在發(fā)生碰磨的時(shí)刻，B點(diǎn)有一頻率為158.65 Hz的低頻，渦輪端水平測(cè)點(diǎn)的低頻振動(dòng)幅值為7.13 μm。

圖2 渦輪端水平測(cè)點(diǎn)碰磨過(guò)程三維譜圖

圖3—圖5為軸向碰磨過(guò)程前后的軸心軌跡及頻譜分析圖。圖3為碰磨發(fā)生前轉(zhuǎn)速為46 049 r/min時(shí)刻的軸心軌跡，可以看出此時(shí)的軸心軌跡以周期一運(yùn)行；圖4為發(fā)生碰磨轉(zhuǎn)速為45 978 r/min時(shí)刻的幅頻特征及軸心軌跡。由圖可以看出此時(shí)刻渦輪端軸心軌跡基本按周期一運(yùn)行，工頻頻率振幅為766.83 Hz/77.35 μm，低頻頻率振幅為158.65 Hz/ 7.13 μm。壓氣機(jī)端軸心軌跡出現(xiàn)明顯突變現(xiàn)象，工頻頻率振幅為766.83 Hz/12.77 μm，低頻頻率振幅為158.65 Hz/8.69 μm，在此頻率附近存在一低頻頻帶。且如壓氣機(jī)端的頻譜圖B區(qū)域可以看出，碰磨時(shí)刻出現(xiàn)幅值突躍現(xiàn)象，這也是由于止推面與軸承端面的軸向碰磨產(chǎn)生；圖5為碰磨發(fā)生前后轉(zhuǎn)速為46 026 r/min時(shí)刻的軸心軌跡，可以看出此時(shí)的軸心軌跡恢復(fù)為周期一運(yùn)行。

圖3 碰磨前渦輪端軸心軌跡

由圖6可以看出，壓氣機(jī)端軸承有供氣孔的軸承端面存在明顯劃痕，在止推面上存在明顯黑色印記，在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中兩者發(fā)生了碰磨。

圖4 碰磨點(diǎn)A渦輪與壓氣機(jī)端幅頻特征及軸心軌跡

圖5 碰磨后渦輪端軸心軌跡

圖6 壓氣機(jī)端軸承碰磨示意圖

根據(jù)上述分析，可以看出，在軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生軸向碰磨時(shí)，三維譜圖上沒(méi)有出現(xiàn)徑向碰磨常見(jiàn)的寬頻帶振動(dòng)情況，軸心軌跡與頻譜結(jié)構(gòu)沒(méi)有徑向碰磨常見(jiàn)的削峰現(xiàn)象，但是存在突變情況。

2.2 徑向碰磨

圖7為第二次試驗(yàn)中轉(zhuǎn)子碰磨過(guò)程中渦輪端水平測(cè)點(diǎn)的時(shí)間-轉(zhuǎn)速-幅值三維譜圖，可以看出，在碰磨發(fā)生前，存在頻率為163.46 Hz的低頻振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的軸心軌跡如圖8所示，可以判斷為低頻振蕩現(xiàn)象。隨后進(jìn)入第一次碰磨區(qū)域，嚴(yán)重碰磨點(diǎn)為圖7中A點(diǎn)所示，此時(shí)工頻頻率為804.75 Hz；區(qū)域C為此時(shí)刻出現(xiàn)的低頻頻帶，隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，進(jìn)入第二次碰磨區(qū)域，嚴(yán)重碰磨點(diǎn)為圖7中B點(diǎn)所示，此時(shí)工頻頻率為555.11 Hz，沒(méi)有低頻振動(dòng)現(xiàn)象。

圖7 渦輪端水平碰磨過(guò)程三維譜圖

圖8 碰磨前典型軸心軌跡

圖9為降速碰磨過(guò)程分岔圖，結(jié)合圖7的三維譜圖分析，可以看出第一次碰磨在41 313 r/min左右結(jié)束，其中嚴(yán)重碰磨點(diǎn)A的軸心軌跡及頻譜圖如圖10與圖11所示。

由圖10與圖11可以看出，此時(shí)刻兩端的軸心軌跡呈現(xiàn)混沌狀態(tài)，但是渦輪端水平方向有明顯限位現(xiàn)象，這是典型的徑向碰磨特征，由頻譜圖可以看出，此時(shí)低頻振幅相對(duì)較小，都存在較寬頻帶的低頻、高頻振動(dòng)，且低頻幅值相較工頻幅值很大，時(shí)域波形出現(xiàn)削峰現(xiàn)象且比較紊亂。可以判斷在第一次碰磨區(qū)域只有渦輪端產(chǎn)生徑向碰磨，壓氣機(jī)端軸心軌跡呈現(xiàn)的混沌狀態(tài)是由于渦輪端碰磨導(dǎo)致的，其進(jìn)一步發(fā)展可能導(dǎo)致碰磨。

圖9 渦輪端水平測(cè)點(diǎn)分岔圖

圖10 碰磨點(diǎn)A渦輪端軸心軌跡及頻譜圖

圖11 碰磨點(diǎn)A壓氣機(jī)端軸心軌跡及頻譜圖

另外，可以判斷該次碰磨是由于低頻振動(dòng)導(dǎo)致的徑向碰磨。由于低頻振蕩發(fā)展成為混沌，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，從而使得低頻幅值與工頻幅值耦合導(dǎo)致了通頻幅值過(guò)大，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了碰磨。

圖9為降速碰磨過(guò)程分岔圖，結(jié)合圖7的三維譜圖分析，可以看出第二次碰磨在36 181 r/min左右開(kāi)始，其中嚴(yán)重碰磨點(diǎn)B的軸心軌跡及頻譜圖如圖12與圖13所示。

圖12 碰磨點(diǎn)B渦輪端軸心軌跡及頻譜圖

圖13 碰磨點(diǎn)B壓氣機(jī)端軸心軌跡及頻譜圖

由圖12與圖13可以看出，渦輪端軸心軌跡在水平和垂直端都呈現(xiàn)限位現(xiàn)象，時(shí)域波形有突變，判斷發(fā)生了徑向碰磨。壓氣機(jī)端軸心軌跡呈現(xiàn)擬周期運(yùn)行，偏離中心位置。但是兩端的振動(dòng)以工頻振動(dòng)為主，基本不存在低頻振動(dòng)現(xiàn)象。

可以判斷在第二次碰磨區(qū)域同樣只有渦輪端產(chǎn)生徑向碰磨，而壓氣機(jī)端則沒(méi)有產(chǎn)生碰磨，且壓氣機(jī)端時(shí)域波形及軸心軌跡嚴(yán)重偏離中心的現(xiàn)象是由于渦輪端嚴(yán)重碰磨導(dǎo)致的。渦輪端蝸殼與透平輪劃痕、軸承與轉(zhuǎn)軸表面劃痕見(jiàn)圖14與圖15。

圖14 渦輪端蝸殼與透平輪劃痕

另外，可以判斷該次碰磨是由于工頻振動(dòng)導(dǎo)致的徑向碰磨。由于工頻頻率的幅值過(guò)大導(dǎo)致了通頻幅值的過(guò)大而引起碰磨。

另外，根據(jù)第一次與第二次試驗(yàn)的伯德圖，也可以看出，在發(fā)生軸承碰磨時(shí)，振動(dòng)相位的變化范圍很小，沒(méi)有發(fā)生相位突變的現(xiàn)象。而在發(fā)生徑向碰磨時(shí)，碰磨點(diǎn)附近的振動(dòng)相位發(fā)生了突變現(xiàn)象。

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Experimental Study on Rub-impact Faults of High-speed Aerostatic Bearing-rotor Systems

FU Zhong-guang1,BIAN Ji-chao1,YANG Jin-fu2
（1.School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Beijing 102206,China; 2.Institute of Engineering Thermo-physics,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100190,China)

The test bench for high-speed aerostatic bearing-rotor systems with single span and four disks structure was built,and the rub-impact faults of the systems were studied experimentally.The axial rub-impact and radial rub-impact at low frequency and working frequency were tested.Through the analyses of the frequency spectrum characteristics,shaft center kinetic trajectory,bifurcation diagram and time-frequency-amplitude waterfall diagrams,the typical features of all kinds of rub-impact faults were given.Meanwhile,the difference of the faults was analyzed.The work may provide a data base for rub-impact fault identification and the establishment of the diagnosis systems.

vibration and wave;mechanics;aerostatic bearing-rotor system;rub-impact fault;fault diagnosis;axis center kinetic trajectory

TH113.1；O322

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.040

1006-1355(2015)02-0180-04+216

2014－08－04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAA11B02）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（13XS10）

付忠廣（1963－），男，博士生導(dǎo)師。E-mail:fuzhongguang@ncepu.edu.cn

邊技超（1987－），男，河北任丘人，博士生，主要研究方向：旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性振動(dòng)及故障診斷。E-mail:bianjichao111@163.com