一种转子不平衡故障实验台及设计优化方法技术

本发明专利技术公开一种转子不平衡故障实验台及设计优化方法，故障实验台包括支撑底座、轴承支撑座、驱动电机、轴承、转盘、转轴和联轴器，所述支撑底座上安装有轴承支撑座和驱动电机，用于为轴承支撑座和驱动电机提供支撑，轴承支撑座上安装有轴承，所述驱动电机通过联轴器与转轴连接，所述转轴与轴承和转盘连接，所述转盘为单级转盘或若干级转盘；所述转盘上安装有不平衡质量块。故障实验台设计优化方法，包括：建立转子动力学模型；设置转轴参数；设置不平衡参数；设置叶片参数。设置叶片参数。设置叶片参数。

【技术实现步骤摘要】
一种转子不平衡故障实验台及设计优化方法


[0001]本专利技术属于旋转机械性能测试及故障诊断领域，具体来说是一种转子不平衡故障模拟实验台及其设计优化方法。

技术介绍

[0002]转子系统作为旋转机械最核心部件，在工作过程中，以不平衡故障为代表的典型故障难以完全消除，严重影响着旋转机械的运行安全和工作效率。转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。因此，开展旋转机械转子系统的故障诊断一直是该领域的一项长期研究任务。
[0003]然而，旋转机械转子系统是一个极其复杂的非线性时变系统，由于受到制造成本、试验条件、试验周期、测试技术等多种因素制约，对其开展动力学试验研究仍然存在较大困难。同时，旋转机械在运行过程中，故障状态无法随时得到观测，而且一旦发生故障，对旋转机械损伤极大。因此，设计模拟转子实验台，利用转子实验台获取转子运行数据，是实现故障诊断数据研究和算法验证的重要手段。
[0004]目前对转子故障的研究大多停留在转子动力学研究、故障模型及基于模拟转子实验台的故障诊断算法上，关于转子故障实验台优化设计方法的研究较少。最优的转子实验台能实现高效率、低成本的旋转机械数据模拟，让故障诊断数据分析和算法验证事半功倍。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种转子不平衡故障实验台及设计方法，实现了对于转子不平衡故障实验台最优参数的求解。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种转子不平衡故障实验台，其包括支撑底座、轴承支撑座、驱动电机、轴承、转盘、转轴和联轴器，所述支撑底座上安装有轴承支撑座和驱动电机，用于为轴承支撑座和驱动电机提供支撑，轴承支撑座上安装有轴承，所述驱动电机通过联轴器与转轴连接，所述转轴与轴承和转盘连接，所述转盘为单级转盘或若干级转盘；所述转盘上安装有不平衡质量块。
[0008]本专利技术还提供一种转子不平衡故障实验台设计优化方法，包括：
[0009]S1.将由轴承、转轴及若干级转盘组成的旋转机械转子系统简化为双支承的转子系统；根据集中参数法建立转子动力学模型，转子动力学模型包括一个弹性轴，一对滚动轴承，n个刚性转盘；
[0010]S2.设置转轴参数，具体如下：
[0011](201)按照实验台的大小要求和传感器安装需求，确定转轴材料、转轴总长度，各轴段距离、支撑点距离及转盘级数；
[0012](202)按照机械设计手册中对于普通轴长径比的规定，依据确定的转轴总长度，按照长径比大于5小于30计算得到转轴直径遍历范围；
[0013](203)选取转轴直径遍历范围的1/10作为步长进行转轴直径遍历，并计算各直径下的转轴跨中刚度系数；
[0014](204)根据机械手册确定每一个直径下的转轴挠度容许值；
[0015](205)确定每一个直径下的最大不平衡力F
max
；计算公式为：F
max
＝k
mid
y
max
‑
m
k
g，式中，k
mid
为转轴跨中刚度系数，y
max
为转轴挠度容许值；m
k
为当第k个转盘存在不平衡故障时的转盘质量，g为重力加速度；
[0016](206)利用建立的转子动力学模型对轴系振动响应进行求解，根据强迫振动微分方程和前述确定的参数求解在正常状态和故障状态的轴系振动响应，选取振动响应值最大的范围，并在范围内进行1mm为步长的直径遍历；所述故障状态指引入最大不平衡力的状态；
[0017](207)经过1mm步长遍历后得到振动响应最大的转轴直径，选取振动响应差值最大时的转轴直径、转轴刚度、最大不平衡力作为最优参数；
[0018]S3.设置不平衡参数，包括最大不平衡力、由不平衡块引起的不平衡力、不平衡块的不平衡质量、不平衡块的安装位置和转盘的旋转角速度；
[0019]S4.设置叶片参数。
[0020]进一步的，其中转盘的叶片一阶共振频率应至少高于转子工作转速两个数量级，使叶尖间隙数据不耦合叶片振动信息。
[0021]进一步的，转轴跨中刚度系数需满足以下条件：
[0022]①
正常状态下，重力、初始不平衡力引起的振动响应不应大于在设计前根据ISO1940确定的精度等级规定的振动响应。
[0023]②
故障状态下，重力、最大不平衡力引起的振动响应不应小于在设计前确定的故障下振动响应需达到的最小值。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0025]1.本专利技术提供了一种转子不平衡故障实验台设计优化方法，通过此方法，可以获得多级转子不平衡故障实验台的转轴参数、不平衡参数以及叶片参数，通过得到的参数进行实验台的设计。本专利技术中的方法利用集中质量法建立转子动力学模型，利用转子动力学模型求解转子系统在正常运转状态和故障状态下的振动响应。为实际实验台的设计提供指导。另外本专利技术通过对转轴直径遍历得到可在最大不平衡力下实现最大故障响应的转轴参数，也就是转子不平衡故障实验台转轴的最优参数。利用转轴参数进行不平衡参数设计及叶片参数设计。
[0026]此方法可以实现在实验台安全运行的情况下得到最大的不平衡故障响应，为不平衡故障实验台提供理论指导，提高了不平衡转子故障实验台的安全性，并保证可以得到最明显的不平衡故障响应，减少了试错成本，优化了不平衡故障实验台的设计流程，有助于实现高效率低成本的旋转机械数据模拟。
[0027]2.本专利技术提供一种不平衡转子故障实验台，实验台可根据设计要求中设定的参数，实现对转子的不平衡故障的模拟，为故障诊断数据分析及算法验证提供测试数据与现有实验台相比，改转子不平衡故障实验台的转轴，不平衡力及叶片参数均使用设计优化方法进行设计，在保证实验台安全运转的条件下可以达到最大的不平衡故障响应，可以更好的实现故障数据的生成，为后续测量系统提供有效测试数据。
[0028]3.本专利技术建立转子动力学模型，利用转轴直径遍历和不平衡质量块遍历获取转子最优参数，实现对转子不平衡实验台的优化设计，得到最优的转轴参数、不平衡故障参数及叶片参数，从而能够实现高效率、低成本的旋转机械数据模拟，让故障诊断数据分析和算法验证事半功倍。
附图说明
[0029]图1为转子不平衡故障实验台结构图。
[0030]图2为叶盘结构示意图。
[0031]图3为双支撑多及转子示意图。
[0032]图4为不同轴段刚度计算示意图。
[0033]图5为转轴不平衡示意图。
[0034]图6为转盘不平衡示意图。
[0035]图7为转轴参数优化流程图。
具体实施方式
[0036]以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种转子不平衡故障实验台，其特征在于，包括支撑底座、轴承支撑座、驱动电机、轴承、转盘、转轴和联轴器，所述支撑底座上安装有轴承支撑座和驱动电机，用于为轴承支撑座和驱动电机提供支撑，轴承支撑座上安装有轴承，所述驱动电机通过联轴器与转轴连接，所述转轴与轴承和转盘连接，所述转盘为单级转盘或若干级转盘；所述转盘上安装有不平衡质量块。2.一种转子不平衡故障实验台设计优化方法，其特征在于，包括：S1.将由轴承、转轴及若干级转盘组成的旋转机械转子系统简化为双支承的转子系统；根据集中参数法建立转子动力学模型，转子动力学模型包括一个弹性轴，一对滚动轴承，n个刚性转盘；S2.设置转轴参数，具体如下：(201)按照实验台的大小要求和传感器安装需求，确定转轴材料、转轴总长度，各轴段距离、支撑点距离及转盘级数；(202)按照机械设计手册中对于普通轴长径比的规定，依据确定的转轴总长度，按照长径比大于5小于30计算得到转轴直径遍历范围；(203)选取转轴直径遍历范围的1/10作为步长进行转轴直径遍历，并计算各直径下的转轴跨中刚度系数；(204)根据机械手册确定每一个直径下的转轴挠度容许值；(205)确定每一个直径下的最大不平衡力F
max
；计算公式为：F
max
＝k
mid
y
max
‑
m
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：段发阶，刘昊，李杰，支烽耀，邓震宇，刘志博，牛广越，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：