高速氣體軸承轉(zhuǎn)子周期性碰摩故障試驗(yàn)研究

邊技超，付忠廣，楊金福，王正威，于明濤

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

高速氣體軸承轉(zhuǎn)子周期性碰摩故障試驗(yàn)研究

邊技超1，付忠廣1，楊金福2，王正威1，于明濤1

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

針對高速氣體軸承轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性碰摩試驗(yàn)研究。對此結(jié)構(gòu)的軸系進(jìn)行升速試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示軸系轉(zhuǎn)速在升高到一定程度時開始產(chǎn)生飛升，隨后在頻域內(nèi)出現(xiàn)周期性碰摩現(xiàn)象。通過頻譜特性、軸心運(yùn)動軌跡及時間—頻率—幅值三維譜圖等振動圖譜特征，分析轉(zhuǎn)子飛升與周期性碰摩現(xiàn)象的動力學(xué)過程及產(chǎn)生原因，并給出碰摩故障的典型特征。研究結(jié)果可以為此類碰摩故障的識別與相關(guān)碰摩故障診斷系統(tǒng)的建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

振動與波；氣體軸承轉(zhuǎn)子；周期性碰摩；試驗(yàn)研究；軸心軌跡

隨著國內(nèi)外能源供應(yīng)日益緊張及改善國內(nèi)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的迫切需要，國內(nèi)的分布式供能系統(tǒng)正在快速發(fā)展［1］。而其中核心機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問題也越來越成為設(shè)計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)［2］。

關(guān)于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)子碰摩故障的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李錄平和鄒新元等人［3］從定性、定量兩方面對機(jī)組碰摩的各種典型特征進(jìn)行研究，對研究動靜碰摩的特征提取具有重要意義。劉玉智和張志明［4］等人對現(xiàn)場運(yùn)行的轉(zhuǎn)子在碰摩時產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行分析，研究引起周期性碰摩現(xiàn)象不同原因。吳敬東和劉長春［5］等人通過對理想轉(zhuǎn)子的運(yùn)動分析及理論推導(dǎo)，得出單點(diǎn)剛性碰摩的存在條件，繼而導(dǎo)出判斷理想轉(zhuǎn)子周期性碰摩運(yùn)動穩(wěn)定性的方程，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證理論結(jié)果。張國忠［6］對運(yùn)行條件發(fā)生變化下，機(jī)組發(fā)生碰摩引起的周期性振動進(jìn)行分析研究。以上研究主要集中在大型汽輪機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下，隨時間變化產(chǎn)生的周期性動靜碰摩及理論研究方面。

李宇飛等人［7］從位移振動信號中得到能量變化的信息，給出能量變化過程與碰摩特征的關(guān)系。單穎春等人［8］針對渦輪增壓器出現(xiàn)的轉(zhuǎn)靜子碰磨故障進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，得出其振動特點(diǎn)，并找出發(fā)生碰磨故障的主要原因。陳虹微［9］通過建立碰摩振動模型，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對離心壓縮機(jī)運(yùn)行中的碰摩故障進(jìn)行研究，并分析其影響因素及改進(jìn)方法。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，通過開展高速氣體軸承轉(zhuǎn)子在頻域下的周期性碰摩研究，找出發(fā)生周期性碰摩的條件，周期性碰摩情況下轉(zhuǎn)子的運(yùn)動規(guī)律與對應(yīng)的典型特征圖譜。

1　高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺及測試系統(tǒng)

高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺及測試系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)臺本體為渦輪和壓氣機(jī)同軸、單跨、四圓盤結(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)動氣，振動數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)過程中的振動情況并提供給試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析平臺。

圖1　氣體軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺控制及測試系統(tǒng)

在壓氣機(jī)與渦輪端部分別布置兩個相互垂直的電渦流傳感器，測量X和Y方向的振動幅值，另外在壓氣機(jī)端部布置一個轉(zhuǎn)速測量傳感器。試驗(yàn)采用的是純靜壓氣體軸承支承，3#與5#軸承氣的壓力均為0.64 MPa。

2　轉(zhuǎn)子周期性碰摩的機(jī)理分析

如圖2所示，以外側(cè)磁盤為研究對象，當(dāng)軸系靜止或者在一定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時，外側(cè)磁盤受到的力有內(nèi)側(cè)磁盤的磁力F、支持力F3以及零件對外側(cè)磁盤的壓力F4，此時磁盤總體受力平衡。當(dāng)軸系處于加速升速階段時，外側(cè)磁盤受到的力除F、F3、F4外，還受到轉(zhuǎn)軸與磁盤之間的摩擦力f，此摩擦力的大小與轉(zhuǎn)軸和磁盤之間的過盈量有關(guān)，過盈量越大，摩擦力越大。

圖2　磁盤受力示意圖

隨著轉(zhuǎn)速的飛升，加速度逐漸變大，磁盤的離心力逐漸增大，在這種情況下，磁盤與轉(zhuǎn)軸之間的過盈減小，摩擦力f減小。當(dāng)摩擦力f不足以提供轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動需要的扭矩時，磁盤之間就會產(chǎn)生相對運(yùn)動，如圖3所示，導(dǎo)致整個軸系的產(chǎn)生動不平衡，工頻振幅增加，產(chǎn)生徑向碰摩。

圖3　兩磁盤相對位移示意圖

碰摩后，由于轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動需要的扭矩減?。簧洗疟P同時受到磁力F在水平方向上的分力F1，以及過盈增大，摩擦力f增大，使得上磁盤復(fù)位，工頻振幅減小，轉(zhuǎn)子退出碰摩。

本文研究周期性碰摩是高速軸系在到達(dá)一定轉(zhuǎn)速后由于力的改變，產(chǎn)生的隨轉(zhuǎn)速變化而周期性出現(xiàn)碰摩，是一種頻域下周期性碰摩，與大型汽輪機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，發(fā)生的時域下周期性碰摩不同。

3　周期性碰摩試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4是試驗(yàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中渦輪端水平測點(diǎn)的時間—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。兩測點(diǎn)的三維譜圖基本一致，以壓氣機(jī)端水平測點(diǎn)為例進(jìn)行說明。由圖5可以看出，飛升前轉(zhuǎn)速為18 245 r/min，隨后開始飛升，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到36 705 r/min后發(fā)生碰摩，完整碰摩周期有7個，然后停止試驗(yàn)。

3.1飛升階段

如圖5與圖6為轉(zhuǎn)速飛升過程中渦輪端水平方向的典型頻譜圖和軸心軌跡圖。如圖所示，在該過程中，渦輪端水平方向工頻的幅值變化為：64.27 μm/ 18 172 r/min～17.42 μm/36 705 r/min，升速率為70.4 r/s2。由能量守恒可以推斷該過程中轉(zhuǎn)速飛升的主要原因是工頻幅值的急劇下降，導(dǎo)致幅值勢能轉(zhuǎn)化為工頻轉(zhuǎn)速動能，從而使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升。3.2周期性碰摩階段

圖4　渦輪端水平時間三維譜圖

圖5　渦輪端水平飛升過程時間三維譜圖

圖6飛升過程渦輪端水平典型軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)

圖7與圖8為第一次碰摩時渦輪端水平方向與壓氣機(jī)端水平方向上的軸心軌跡與頻譜結(jié)構(gòu)，時刻為以試驗(yàn)開始為0 s的第354.316 s，轉(zhuǎn)速為34 819 r/ min。從圖中可以看出，此時刻渦輪端軸心軌跡在水平方向有明顯限位現(xiàn)象，且頻譜上波形振幅突然增大，是明顯的徑向碰摩特征；壓氣機(jī)端軸心軌跡有突變現(xiàn)象，時域波形振幅突然增大。另外，此時刻兩端都沒有低頻出現(xiàn)，有一個較窄的工頻頻帶。

圖7　 354.316 s/34 819 r/min時刻渦輪端水平軸心軌跡及頻譜（碰摩中）

圖8　 354.316 s/34 819 r/min時刻壓氣機(jī)端水平軸心軌跡及頻譜（碰摩中）

隨后，轉(zhuǎn)子退出碰摩，時刻為以試驗(yàn)開始為0 s的第354.425 s，轉(zhuǎn)速為31 838 r/min。此時刻軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常，且兩端的軸心軌跡與頻譜結(jié)構(gòu)與之類似。

圖9與圖10為354.671 s、轉(zhuǎn)速31 353 r/min時刻，渦輪端水平方向與壓氣機(jī)端水平方向上的軸心軌跡與頻譜結(jié)構(gòu)。此時刻的轉(zhuǎn)速位于一個周期內(nèi)的最低點(diǎn)。軸心軌跡出現(xiàn)突變現(xiàn)象，時域波形的振幅也突然變小，且基本無低頻存在。兩端工頻振幅分別為59.41 μm與44.17 μm，與第一次徑向碰摩時相比分別下降80.76 μm與3.7 μm。

圖9　 354.671 s/31 353 r/min渦輪端水平軸心軌跡及頻譜

圖10　 354.671 s/31 353 r/min壓氣機(jī)端水平軸心軌跡及頻譜

最后，轉(zhuǎn)子退出碰摩，時刻為354.780 s，轉(zhuǎn)速為31 731 r/min。此時兩端的軸心軌跡恢復(fù)正常，轉(zhuǎn)子進(jìn)入下一個升速階段。

圖11是一個完整周期過程中軸心軌跡變化圖，由此圖可以看出，在一個周期中，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動軌跡為：正常運(yùn)動軌跡—徑向碰摩—軸心突變—正常運(yùn)動軌跡。

圖11　一個完整周期過程中軸心軌跡變化圖

3.3分析結(jié)果

結(jié)合前面的理論分析與試驗(yàn)結(jié)果，可以初步分析得出如下周期性碰摩過程：

（1）在本次試驗(yàn)中，升速過程中起扭矩作用的為磁盤與軸及其他零件之間的摩擦。

（2）隨著飛升的進(jìn)行，轉(zhuǎn)軸加速度逐漸增大，磁盤與轉(zhuǎn)軸之間過盈減小導(dǎo)致兩者之間的摩擦力f減小，當(dāng)摩擦力f不足以提供轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動需要的扭矩時，磁盤就會與軸產(chǎn)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致整個軸系產(chǎn)生動不平衡，工頻振幅突然增加，渦輪端動靜件（轉(zhuǎn)子與軸承及蝸殼）產(chǎn)生徑向碰摩，如圖7、圖8所示。這時兩磁盤之間產(chǎn)生相對位移。

（3）根據(jù)能量守恒定律，碰摩發(fā)生必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速降低，隨著磁盤與轉(zhuǎn)軸之間的過盈量重新增加，兩者之間的摩擦力f增加，則當(dāng)f與兩磁盤磁力在水平方向上的分力F1之和滿足轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動需要的扭矩時，磁盤復(fù)位，軸系的動不平衡消失，工頻振幅下降，轉(zhuǎn)子退出碰摩。此時刻軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常，這時轉(zhuǎn)速到達(dá)一個周期的最低點(diǎn)。圖9與圖10表示的是轉(zhuǎn)速由下降到上升的過渡階段，此時，工頻振幅突然減小，轉(zhuǎn)子輸入能量再次用于轉(zhuǎn)速飛升過程。

（4）由于主氣路供氣始終保持，未切斷外來能量供應(yīng)，開始下一升速過程。

3.4碰摩示意圖

圖12是渦輪端產(chǎn)生的徑向碰摩示意圖，由圖可以看出在渦輪端，軸承內(nèi)側(cè)有劃痕，轉(zhuǎn)子表面有黑色印記；蝸殼表面有明顯刮痕，可以判斷在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承與轉(zhuǎn)子、葉輪與蝸殼之間均產(chǎn)生了徑向碰摩。

3.5第二次試驗(yàn)結(jié)果

在與第一次試驗(yàn)相同的工況條件下，將過盈間隙繼續(xù)減小，然后再次進(jìn)行升速試驗(yàn)。圖18是試驗(yàn)過程的時間三維譜圖，可以看出此次試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速達(dá)40 889 r/min，最高轉(zhuǎn)速時刻存在131.01 Hz的低頻，其對應(yīng)的軸心軌跡如圖所示?？梢钥闯霰敬卧囼?yàn)并沒有再次出現(xiàn)周期性碰摩現(xiàn)象。

圖12　渦輪端徑向碰摩示意圖

圖13　第二次試驗(yàn)時間三維譜圖

4　結(jié)語

（1）從時間三維譜圖、軸心軌跡及頻譜結(jié)構(gòu)等方面呈現(xiàn)了轉(zhuǎn)子周期性碰摩的特征；

（2）轉(zhuǎn)子在18 172 r/min開始飛升，飛升結(jié)束轉(zhuǎn)速為36 705 r/min，飛升率為70.4 r/s2。飛升前工頻振幅逐漸增大，最高為64.27 μm，飛升結(jié)束時工頻振幅為17.42 μm；由能量守恒可以判斷該過程中轉(zhuǎn)速飛升的主要原因是工頻幅值的急劇下降，導(dǎo)致了幅值勢能轉(zhuǎn)化為工頻轉(zhuǎn)速動能，從而使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升；

（3）由于飛升導(dǎo)致磁盤與轉(zhuǎn)子過盈量減小，兩者產(chǎn)生相對運(yùn)動，引起軸系動不平衡，進(jìn)而工頻振動幅值增加，產(chǎn)生徑向碰摩。隨著轉(zhuǎn)速下降，磁盤復(fù)位，動不平衡消失，轉(zhuǎn)子退出碰摩。

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Experimental Study on Periodic Rubbing Faults of Gas Lubrication Bearings and High Speed Rotors

BIAN Ji-chao1，F(xiàn)U Zhong-guang1，YANG Jin-fu2，WANG Zheng-wei1，YU Ming-tao1
（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 periodic rubbing faults of gas lubrication bearings and high speed rotors were studied experimentally. The speed boost experiment of the shaft system of the structure was carried out.The result shows that when the speed reaches a certain level，the speed boost happens and the periodic rubbing occurs.Through the analysis of the frequency spectrum characteristics，shaft orbit，bifurcation diagram and time-frequency-amplitude waterfall diagrams，the dynamic process and the reason of the speed boost and the periodic rubbing were described，and the typical features of all kinds of rubbing faults were found.This experimental study provides a database for rubbing fault identification and diagnosis system establishment.

vibration and wave；mechanics；gas lubrication bearings and rotors；periodic rubbing fault；experimental study；shaft orbit

TH113.1；TH113.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.027

1006-1355（2015）03-0130-04+138

2014－03－13

國家科技支撐計劃項(xiàng)目（基金編號：2012BAA11B02）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（13XS10）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014ZZD04）

邊技超（1987－），男，河北任丘人，博士生，主要研究方向：非線性振動、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷。

E-mail:bianjichao111@163.com