转子不对中故障的ADAMS仿真研究

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不对中是旋转机械最为常见的故障之-，在大型旋转机械故障中，转子不对中故障约 占故障总数的6O [10]。转子不对中-般可以分为联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中通常又可以分为平行不对中、转角不对中和综合不对中 3种情况。由于刚性联轴器具有结构简单、传递功率大的特点，通常大型旋转机械都是采用刚性联轴器。目前国内外学者对于刚性联轴器的不对 中研究并不多 ，因此对刚性联轴器 不对中机理和现象进行研究，对轴系的监测与诊断，对振动的主动控制方面都具有极其重要的意义L3 ]。

本文首先利用 ANSYS软件创建旋转平台的实体刚柔混合模型，再利用 ADAMS软件对轴系转子不对中进行仿真分析。

1 刚性联轴节不对中机理刚性联轴节是依靠螺栓进行连接的，当存在平行不对中时，两轴中心会产生-个偏差。两半联轴节在旋转过程中，在螺栓力的作用下有将偏移的两轴中心拉到-起的趋势。如图 1(a)所示，轴 1和轴 2的不对中量为 ，叫为转轴角速度。观察图 l(b)，在 PO2上取点 S，令 S上PQ。由于POz))e，所以PQ 和 PGI的夹角很小，可近似认为 PQ≈PS，因此可以得到：S02- P02- P01- ecoswt 。 (1)若两半联轴节尺寸和材料相同，则 POl受压缩，P0I受拉伸，两者变形量可近似认为相等，即 ：S /2。

联轴节受到的X、y方向的力可以表示为： ncu 譬sin2∞。J OQ DO 0 0O O I Q..O(2)F Fcoswt Kecos2mtTKe十.TKec。s2叫。

(3)其中：K为联轴节刚度。从式(2)、式(3)中可知， 中的前-项为常量，其趋势是试 图将联轴节不对 中量缩小，F 中的后-项与F 是随转速变化的两倍频激振力，在激振力的作用下，转子在径向的位移会相应变化两次。

P(a)联轴节左视 图 (b)联轴节轴 向图图 1 联轴节不对中示意图2 仿真模型的建立本研究以实验室转子试验平台为对象，建立刚柔混合模型，试验平台如图 2所示。首先使用三维建模软件 UG创建转子、轴承、基座、电机端的实体模型，然后导人 Hypermesh软件中生成有限元模型，最后导入ADAMS软件中进行动力学分析，研究刚柔混合模型在不同情况下的运动规律。为简化模 型，未对试验平台的载荷设备进行建模，采用施加阻力力矩的方式对模型施加载荷，建立的模型如图 3所示 。模型中的刚性法兰联轴节采用大刚度 bushing构件进行替代；轴承与转轴之间也通过添加水平和轴向两个方向的刚度利用 bushing构件连接。由于仿真目的是对转子系统进行定性分析，因此轴承刚度可根据相同尺寸滑动轴承的刚度进行设置 。

3 仿真结果分析为了分析转速、不对中量等因素对转子系统的影响，分别对如下几种情况进行仿真。

收稿日期：2013-O1-17；修回日期：2013-02-21作者简介：吴振宇 (1971-)，男，辅莆田人，高级工程师，硕士，主要从事船舶修理监修工作。

· 64 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年第 3期3.1 正常状态下的仿真仿真转速分别为437 r/min、936 r/min，采样频率为 500 Hz，仿真时间为 10 S，仿真结果如图 4～图 7所示。其中，图4、图 5分别为转速 437 r/min时轴径向位移振 动时域 图和频域 图，图 6和图 7分别为转 速936 r/min时的轴径向位移振动时域图与频域图。

目 棒图 2 转子试验平台图 3 试验 平台的剐柔混合模型t/s图 4 437 r/min时的转子 水平位移振动肘域图目 f/Hz图 5 437 r/min时的转子水平位移振 动频域 图茸 t/s图 6 936 r/min时的转子水平位移振动时域 图从图4～图 7中可以发现：正常状态下转轴的水平位移振动幅值很小，主要有-倍频，而且随着转速的增加，-倍频幅值增加明显。这主要是因为转子是-个柔性体，在重力作用下会产生微小的弯曲，从而产生- 定的不平衡量。

3.2 平行不对中仿真在转速-定的情况下对平行不对中量分别为 0.6mm和 1.2 mm两种情况进行仿真，仿真结果如图8、图 9所示。表 1为转速为 936 r/min时，各平行不对中量及正常状态时转轴径向位移振动频域比较 。

：15.63y：0.396 3 0 1O 2O 3O 4O 5O 6O 70 8O 90 100f/Hz图 7 936 r/min时的转子水平位移振动频域 图目j ～ 趟 ～～ t/s图 8 0.6 mm 平行不对 中时的转子位移振动目 t/s图 9 1.2 mm 平行不对 中时的转子位移振动表 1 平行不对中及正常状态时转轴径向位移振动频域比较平行不对中量 -倍频幅值 (flm) 二倍频幅值 ( m)正常 0.396 5 很小0.6 m m 0.407 3 0.112 01.2 m ill 0.414 2 0.224 2从表 1中纵向对 比可以发现 ：与正常情况下相比，当存在平行不对 中时，位移的-倍频和二倍频都比较明显，随着平行不对中量的增加，-倍频、二倍频幅值也是不断增加的。

3.3 角度不对中仿真将模型中电机轴绕右端断面圆心顺时针旋转-定角度，分别为 0.20和 0.6。，仿真结果如图 1O、图 ll所示 ～转速为 936 r/min时各不对 中量的旋转轴径向位移振动信号进行对比，如表 2所示。

从表2中纵向对比可以发现：存在角度不对中故障时，-倍频幅值减小，这是由于不对中故障产生的-倍频和正常时的-倍频抵消了-部分；二倍频幅值随着不对 中程度的增加而增加 。

3.4 综合不对中情况的仿真仿真选择在转速为 936 r/min，平行不对中量分别为 0.6 mm和 1.2 mm，角度不对中量分别为 0.2。和4 5 3 5 2 5 l 5 c；0 c； O O O O目 罂2013年第 3期 机 械 工 程 与 自动 化 · 65 ·0.6。，仿真结果如表 3所示。

t/s图 10 0.2。不对 中情况下 的转 子位移 振动- 9lI- 92。

t/s图 11 0.6。不对中情况下的转子位移振动表 2 角度不对中及正常状态时转轴的水平位移振动频域比较角度不对中量 -倍频幅值( m) 二倍频幅值( m)正常 0.396 5 很小0.2。 0.323 0 0.256 70.6。 0.17Z 1 0.770 0从表 3中可以看出，对于综合不对中情况，当角度不对中量-定时，平行不对中量增加，-倍频 和二倍频都增加；当平行不对中量-定时，角度不对中量增加，- 倍频减小，二倍频增大。

4 结论通过对转子系统的仿真，可以得到如下结论：(1)轴系正常状态下，转子位移振动幅值很小，主要以-倍频为主，随着转速的增加，位移振幅和-倍频幅值增加。

表 3 综合不对中及正常情况轴系位移振动比较综合不对中量 -倍频幅值( m) 二倍频幅值( m)正常状 态 0.396 5 很小角度 0.6。、平行 1.2 mm 0.180 2 0.673 2角度 0.6。、平行 0.6 mm 0.176 0 0.389 5角度0.2。、平行 1.2 mm 0.332 0 0.137 3(2)当只存在平行不对中时，转子位移振动会出现较为明显的-倍频与二倍频，且幅值随着不对中量的增加而增大。

(3)当只存在角度不对 中时 ，转子 的位移振动也会出现较为明显的-倍频与二倍频 ；当角度不对 中量增大时，-倍频幅值减小，二倍频幅值增大。

(4)当存在综合不对中时，转子位移振动会出现较为明显的-倍频与二倍频，但幅值变化与转子转速无关；当平行不对中量-定，角度不对中量增大时，-倍频减小，二倍频增大；当角度不对中量-定，平行不对中量增加时，-倍频和二倍频都增大。