旋转机械基础松动故障研究进展和展望

罗跃纲，吴 斌，王万雷，胡红英

(大连民族大学 机电信息工程学院，辽宁 大连116605)

旋转机械广泛地应用于电力、能源、国防、交通、石化等领域，在这些领域发挥了举足轻重的作用。由于各种因素的影响，这些机械设备难免出现一些故障现象，使设备降低或失去一部分功能，而机组一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备无法正常工作甚至整个生产过程无法继续，造成巨大的经济损失，严重时还会引起灾难性人员伤亡事故。因此研究机械设备的故障发生机理和识别诊断技术方法，保证这些设备的安全高效运行，避免巨额的经济损失和灾难性事故的发生，将为国民经济创造巨大的财富，是当前科技和工业发展的重要研究问题之一。本文主要对近年来旋转机械转子系统基础松动故障的研究现状、进展进行了综述，对目前旋转机械基础松动故障问题研究尚待解决的问题提出了一些看法，并对今后的发展趋势进行了展望。

1 基础松动故障研究现状

1.1 基础松动故障非线性特性分析方法及复杂动力学特性研究

松动通常可分为旋转部件松动和基础松动，其中轴承座与基础之间的松动在旋转机械中比较常见。基础(支承)松动会降低系统的抗振能力，使转子原有的不平衡、不对中所引起的振动更加剧烈。若机械运转时产生的不平衡力超过重力，机械就会周期性地被抬起，从而使系统的刚度发生变化，当基础松动故障严重时，振幅的增加可能引起转静件碰撞、摩擦等故障，还可能使原有的裂纹等潜在故障加剧。根据工程实践分析，基础松动故障是目前为止旋转机械故障中识别率较低的故障之一。早期分析松动故障转子系统非线性特性的方法主要是传统的谐波平衡法、小参数法、多尺度法等近似解析方法［1-5］，如上世纪90 年代，Lee A C 等［6-7］用传递矩阵法和谐波平衡法分析了支撑在线性和非线性轴承上的转子系统。Muszynska 等［8］考虑了定子的刚度和阻尼以及转定子之间的切向摩擦力的影响，对含有松动或碰摩故障的转子系统的动力学行为进行了理论、数值和试验研究。Z Ji 等［9］用多尺度法分析了带有支撑松动的非线性转子-轴承自治系统的自由振动和强迫振动特性，利用非线性弹簧和线性阻尼描述非线性轴承支撑松动模型，揭示了稳态响应中如何判断分岔点的出现问题。

以上这些方法对二自由度以上的系统分析起来已很复杂，且无法分析系统的混沌响应。对四自由度以上的系统，除了数值积分法外还没有更好的分析方法。鉴于带有基础松动故障的转子系统具有高自由度和强非线性的特性，数值计算方法应是目前分析基础松动转子系统动态响应唯一有效的研究方法。Goldman 等［10-11］对不平衡情况下一端支承松动的转子系统进行了建模和数值仿真研究，在模型中考虑了定子的刚度和阻尼系数，而且考虑了定子的径向和切向作用，在此基础上研究了转子系统的谐波响应和分谐波响应。褚福磊等［12-13］应用现代非线性动力学理论分析了带有一端支座松动故障的简单转子-轴承系统的复杂运动现象，讨论了转速变化时系统的多种形式的周期、拟周期和混沌运动;并采用打靶法求解了基础松动转子轴承系统的周期运动，由Floquet理论判断系统周期运动的稳定性。分析结果表明这类系统的某些周期运动的映射点结构具有慢变特性，有些表现为长时间下的拟周期运动，另外某些Poincare 映射点的结构随时间的变化出现分岔。李振平等［14］研究了转子一端轴承座松动时的非线性动力学特性，通过轴心轨迹、频谱图等识别松动故障特征，发现当轴承支座发生松动，转子松动端的拟周期和混沌运动的轴心轨迹疏散，呈“柱状”结构。姚红良等［15］研究了发生支座松动故障的单盘转子系统在共振区的动态特性，研究表明松动故障降低了转子固有频率，共振区提前到来，故障转子呈“软式”非线性特性，在响应谱图上2 倍频、3 倍频谱线较明显。

在考虑参数慢变转子系统故障研究方面，王宗勇等［16］建立了带有支承松动故障的质量慢变转子系统的动力学模型，对该转子系统由于支承松动故障而导致的动力学行为进行了数值仿真研究，结果表明:转子的横向均为多周期运动，纵向响应几乎均为混沌运动;随着转动频率的增加，转子的振动幅度出现波动，而在2 倍固有频率处达到极小值;质量变化幅值系数的增加致使混沌运动的频率区间增大等。在此基础上，王宗勇等［17］又建立了带有一端支座松动故障的滚动轴承-质量慢变转子系统的非线性动力学模型，对其非线性动力学行为进行了数值仿真研究，结论表明:转子系统在滚动轴承、支承松动和质量慢变的同时作用下具有复杂的动力学行为，转子系统的起始松动频率为0.6 倍的固有频率，转子的周期运动均为多周期运动，转子圆盘和松动质量的运动特性均不稳定等。

在多基础松动故障研究方面，张靖等［18］应用现代非线性动力学理论，分析了带有两端支座松动故障的转子-轴承系统的复杂运动现象。结果表明:带有两端支座松动故障的转子-轴承系统运动在未到共振区时以周期运动为主，在过共振区后，运动形式以拟周期和混沌为主，两个松动支座的振动在一定程度上相互抑制。同时，当支座发生松动时，轴颈的轴心轨迹以及支座的Poincare截面图和相轨迹都呈现出特殊的形状，并且这些形状又随松动支座的振幅是否达到最大间隙值而有所不同。马辉等［19］针对工程中出现的支座松动故障，建立了多盘悬臂转子的松动有限元模型，对单支座和双支座松动故障进行动力学特性研究，结果表明:在两种情况下，随着松动刚度的降低，其运动形式基本一致，均经历了周期1、周期2、周期6 和周期4 运动;但轴心轨迹差别很大:对于单支座松动，轴心运动开始为一个上下差别很大的“8”字形，接着变为两个嵌套的“8”字形，最后变为“螺旋”状;而双支座松动开始轴心轨迹近似为三角形，接着变为两个“8”字形，最后也变为“螺旋”状。

随着旋转机械结构参数的提高，作用在转子上的气流激振力(密封力)将显著增大。一般认为密封力是由于转子在密封腔中偏置时，密封周向存在不均匀分布压力所引起的。转子的扰动和密封中的流体相互作用，产生激振力，促使转子产生大幅度的涡动。虽然通常情况下密封力要比轴承油膜力小，但是也会造成致命的危害，因此研究迷宫密封力对系统动力学特性的影响显得十分必要。姚德臣等［20］应用Muszynska 非线性密封力模型，建立了在气流激振力作用下的松动转子系统耦合动力学方程，分析了在非线性密封力作用下的松动转子运动特性。着重讨论了迷宫密封的物理和结构参数对松动转子运动特性的影响。研究结果表明:系统具有非常丰富的非线性动力学行为，气流激振力对松动转子的准周期运动有明显的抑制作用，密封结构的各主要参数对系统稳定性有很大影响，可以通过调整密封参数来改善系统的动态稳定性。蒋兆远等［21］将离心泵叶轮转子系统简化为中间带有刚性圆盘的柔性转子，在引入非线性横向流体激振力的条件下，建立带有支座松动故障的不平衡离心叶轮转子在非线性轴承油膜力作用下的振动模型，并推导系统的无量纲运动方程。运用数值积分法研究系统的分岔特性，分析横向流体激振力以及松动端轴承支座质量对该类离心泵叶轮转子系统非线性动力学特性的影响。高崇仁等［22］根据自适应控制理论，给出了一种多重参数自适应控制算法，利用此方法对松动转子密封系统进行研究。研究结果表明，文中提出的参数自适应控制律具有较强的稳定控制能力，该方法适合于多重参数非自治复杂混沌系统，在外界干扰下引起混沌状态的时候，可自适应地调整到正常的工作状态。

在基础松动故障的试验研究方面，毛居全等［23］根据工程实际情况，建立了轴承座地脚螺栓松动的力学模型，采用Adiletta 提出的非线性油膜力模型，利用Runge -Kutta 数值积分方法进行数值仿真。最后利用转子模型实验台，对支座松动故障进行实验研究，采用三维瀑布图、轴心轨迹图和小波尺度图，对故障信号进行了分析研究。马辉等［24］在单跨转子模型实验台上，人为松动轴承座一侧的紧固螺栓，造成支承结构的弹性刚度减弱，模拟实际工程中存在的旋转机械松动故障。利用三维谱阵图、小波尺度图和轴心轨迹图对采集到的带有松动故障的竖直方向振动信号进行了分析。分析结果表明:在一阶临界转速附近会产生比较混乱的低频分量，出现了复杂的非线性现象，如出现拟周期、分岔等现象。在超过2 倍临界转速后低频成分趋于稳定。

1.2 含有基础松动的耦合故障问题研究

耦合故障是指转子系统中同时存在两种及其以上的具有非线性特征的故障。工程实际当中转子系统的耦合故障也是很普遍的，比如基础松动转子系统会由于系统的振动量过大而导致碰摩故障的发生。耦合故障转子的动力学行为较单一故障转子更加复杂，并且存在许多独特的动力学特性。杨永锋等［25］采用Newmark - β 法和Poincar映射对裂纹和一端支座松动耦合故障转子系统进行了数值模拟研究，研究发现系统存在拟周期环面破裂、阵发性分岔和多倍周期运动失稳进入混沌三条混沌道路。罗跃纲等［26］建立了带有支承松动-裂纹耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型，并对系统裂纹、松动及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究。结果表明:当只有裂纹故障时，在亚临界转速和超临界转速区均有拟周期运动;当只有松动故障时，在亚临界转速区为拟周期运动，而在超临界转速区为混沌运动。当出现裂纹-松动耦合故障时，松动故障的影响占主要地位;随着裂纹深度的增加，其影响作用逐渐增大。刘元峰等［27-28］研究了转子系统在发生支承松动-裂纹以及支承松动-碰摩耦合故障时的非线性现象，研究发现当支承松动时很小的裂纹也能引起转子系统出现分岔混沌现象，并分析了支承松动和碰摩对转子系统刚度的影响。陈果［29］建立了含转子不平衡-松动-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型。在模型中，充分考虑了转子不平衡、基础松动及转静碰摩故障的耦合;对滚动轴承模型，充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由轴承支撑刚度变化而产生的VC(varying compliance)振动。运用数值积分方法分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量、轴承座质量、轴承座与机匣间的连接刚度以及机匣与基础间的连接刚度对系统响应的影响，得到了在不平衡-松动-碰摩故障的耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律。李同杰等［30］将离心叶轮转子系统简化为Jeffcott 转子，建立了带有支座松动与碰摩耦合故障的不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线性轴承油膜力作用下的振动分析模型，并推导了系统的无量纲运动方程。运用数值积分法研究了系统的分岔特性，最后分析了横向流体激振力对含有松动与碰摩的离心叶轮转子系统动力学性能的影响。结果表明:在转速较高时，横向流体激振力对该类转子的分岔特性有较大影响。罗跃纲等［31］建立了带有基础松动-碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型，研究结果表明耦合故障转子系统周期运动失稳转速介于松动和碰摩单一故障之间;随着轴承松动支座质量的增加，当转子低频运转时，系统响应的混沌运动区间先增大，以后逐渐减小;在高转速区域(超临界转速区)，拟周期运动消失，混沌运动区域逐渐减小，周期分频运动区域增加，且会出现明显的周期3 运动区间。马辉等［32］基于有限元法，建立考虑松动、碰摩及松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统的动力学模型，其中松动故障采用分段线性刚度和阻尼模型，转定子碰摩采用点-点接触模型。通过增广的拉格朗日方法来处理接触约束条件，修订的库仑摩擦模型来模拟转定子之间摩擦。考虑不同转速对松动、碰摩及松动-碰摩转子系统动力学特性的影响，并对比三者之间的异同点。研究表明，碰摩在耦合故障中处于主导地位，而松动主要影响松动端局部振动处于从属地位;松动-碰摩耦合故障响应在低转速和高转速与单一碰摩故障类似，在中间转速存在一些差别，但总体运动趋势基本一致;与单一松动故障相比发现，碰摩能够减小松动引起的低频振动，主要激发高频振动。

2 未来的研究趋势和展望

(1)建模和分析方法研究方面:现有的研究工作主要是采用分段线性刚度和阻尼模型来模拟基础松动故障，基于集中质量或基于有限元法建立转子系统非线性动力学模型来进行数值仿真分析。基于集中质量模型能够更加突出主要因素、忽略次要因素的影响，适于进行非线性特性的定性分析;基于有限元法考虑的影响因素更多一些，更能接近实际工况。但是有限元法作为经典的数值分析方法，其精度和准确性与单元的选择、不同单元之间的连接、边界条件的确定等多种因素有关，这些因素对转子系统故障进行诊断分析结果具有直接影响。

(2)多基础松动故障研究方面:目前对于具有多基础松动故障的转子系统特别是多跨转子系统非线性动力学方面的研究工作开展得还很少，对于多松动故障之间的作用机理和相互影响规律等方面，还有许多问题需要研究。

(3)耦合故障机理研究方面:尽管近年来国内外学者在耦合故障诊断方面做了一定的研究工作，包括许多解析和数值分析方法等基础理论的研究，但到目前为止尚未形成一个比较系统而完善的理论体系，其发展和成果还远不能满足实际生产和诊断的需要。如何对耦合故障进行识别、确定主次，将研究成果应用于实际，应是今后需要研究的重要课题之一。

(4)试验研究方面:从现有文献来看，在转子系统基础松动故障机理研究中，大部分的研究成果集中于数值仿真分析方面，在试验研究方面开展的工作还很欠缺，而相关的试验测试分析是验证和指导理论研究的关键。

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