运用综合设计法的多功能转子-轴承试验平台设计及实验研究

黄逢超; 付豪; 贾海峰; 张悦; 罗跃纲

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200561

运用综合设计法的多功能转子-轴承试验平台设计及实验研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200561

黄逢超^{1, 2,},
付豪^{1, 2},
贾海峰^{1, 2},
张悦^{1, 2},
罗跃纲^{1, 2, ,}

1.
大连民族大学机电工程学院，辽宁大连　116600
2.
大连民族大学智能感知与先进控制国家民委重点实验室，辽宁大连　116600

基金项目: 国家自然科学基金项目（51875085）与辽宁省自然科学基金项目（20170540205）

详细信息

作者简介:
黄逢超（1996−），硕士研究生，研究方向为旋转机械故障诊断，878995859@qq.com

通讯作者:
罗跃纲，硕士生导师，博士，luoyg@dlnu.edu.cn

中图分类号: TH165.3
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-23
- 网络出版日期: 2023-03-27
- 刊出日期: 2023-02-25

Design and Experimental Study of Multifunctional Rotor-bearing Test Platform using Comprehensive Design Method

HUANG Fengchao^{1, 2
,},
FU Hao^{1, 2},
JIA Haifeng^{1, 2},
ZHANG Yue^{1, 2},
LUO Yuegang^{1, 2
, ,}

1.
College of Mechanical and Electronic Engineering, Dalian Minzu University, Dalian 116600, Liaoning, China
2.
Key Laboratory of Intelligent Perception and Advanced Control of State Ethnic Affairs Commission, Dalian Minzu University, Dalian 116600, Liaoning, China

摘要

摘要: 以大型旋转机械转子系统为研究对象，利用综合设计法设计模拟试验装置。功能优化设计通过编写试验台任务书，确认系统的功能，通过二级模糊评价方法确认总体设计方案。动态优化设计完成基于ANSYS Workbench仿真分析软件对四跨转子系统进行模态分析与谐响应分析，获得前六阶固有频率及振型。研究不同支撑刚度对转子系统临界转速的影响，通过坎贝尔图观察随着转速的升高，转子系统的固有频率的变化情况，还通过谐响应分析得出在不同载荷下转子系统的振幅规律。智能优化设计完成了平行不对中与偏角不对中实验装置的设计，可以精确控制不对中量。试验研究偏角不对中做了不对中量为1°与2°两组试验研究；平行不对中做了不对中量为1 mm与2 mm两组试验研究。系统不仅会有工频还会出现二倍频，随着偏角不对中量的增加二倍频成分也更加明显，幅值会增大；轴心轨迹出现″8″字形与内凹形。出现平行不对中时系统二倍频占主要成分且出现明显的三倍频。
- 综合设计法 /
- 临界转速 /
- 支承刚度 /
- 转子系统 /
- 谐响应分析 /
- 不对中装置
Abstract: To study the rotor system of a large-scale rotating machine, the comprehensive design method is used to design the simulation test device.With the two-level fuzzy evaluation method, the function of the optimal design confirms that of the rotor system through compiling the task book of the test-bed and the overall design scheme,completing the dynamic optimization design. Based on the ANSYS Workbench simulation analysis software, the modal analysis and harmonic response analysis of the four-span rotor system are carried out, and the first six natural frequencies and vibration modes are obtained. The influence of different support stiffness on the critical speed of the rotor system is studied. The Campbell diagram is used to observe the changes of the natural frequency of the rotor system with the increase of speed. The amplitude law of the rotor system under different loads is obtained by harmonic response analysis. With the intelligent optimization design, the parallel misalignment and misalignment experimental devices are designed, being able to accurately control the misalignment. The experimental studiesof the misalignment of deflection angles, i.e. 1° and 2° misalignment, and of the 1 mm and 2 mm misalignments for parallel misalignmentwere carried out. The rotorsystem hasits power frequency and double frequency. With the increase of the deflection angle misalignment, the double frequency component becomes more obvious, and the amplitude increases; the axis track appears in the shape of "8" and concave. When parallel misalignment occurs, the double frequency of the rotor system is the main one and there is an obvious triple frequency.
- comprehensive design method /
- critical speed /
- support stiffness /
- rotor system /
- harmonic response analysis /
- misalignment device

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图 1 转子试验台功能分解

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图 2 多功能转子试验装置装配图

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图 3 添加约束和载荷

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图 4 四跨转子系统网格划分

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图 5 前6阶模态振型图

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图 6 谐响应分析添加载荷

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图 7 幅频响应曲线图

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图 8 66.7 Hz频率下不同载荷的幅值变形量

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图 9 40.2 Hz频率下不同载荷的幅值变形量

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图 10 转轴不对中的3种状态

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图 11 平行不对中装置

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图 12 平行不对中装置工作原理

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图 13 偏角不对中装置装配图

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图 14 偏角不对中工作原理

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图 15 四跨试验台试验装置

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图 16 测试系统组成图

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图 17 转子系统正常工况下的升速三维瀑布图

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图 18 健康状态转速为2 700 r/min时轴心轨迹与频谱图

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图 19 偏角不对中为1°转速为2700 r/min时轴心轨迹与频谱图

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图 20 偏角不对中为2°转速为2700 r/min时轴心轨迹与频谱图

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图 21 平行不对中1 mm转速为2700 r/min时轴心轨迹与频谱图

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图 22 平行不对中2 mm转速为2700 r/min时轴心轨迹与频谱图

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表 1 初步设计方案

序号	分功能与系统结构	功能实现方式与结构
序号	分功能与系统结构	A	B	C
1	传动方式	直接	间隔	隔震垫
2	隔震方式	一次	两次
3	隔震原件	橡胶弹簧	隔震垫
4	转速控制	手动	调速器
5	轴盘接触	锥轴	压紧套
6	联轴器类型	膜片联轴器	齿式联轴器	滑块联轴器
7	驱动	直流电机	交流电机
8	保护装置	铁丝保护网	塑料保护罩
9	油压控制	油压泵	手动
10	传感器选择	光电+加速度	光电+速度	光电+位移

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表 2 材料属性

物体名称	材料	杨氏模量/Pa	密度/（kg·m⁻³）	泊松比
轴、转子	40 Cr	2.11×10¹¹	7900	0.3

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表 3 支承刚度为1×10⁶Nm时的固有频率

阶次	1	2	3	4	5
频率/Hz	40.2	59.2	65.3	85.1	109.2

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表 4 支承刚度为2×10⁷Nm时的固有频率

阶次	1	2	3	4	5	6
频率/Hz	40.2	59.9	66.7	86.6	111.1	144.8

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表 5 支承刚度为2×10⁸Nm时的固有频率

阶次	1	2	3	4	5	6
频率/Hz	40.2	60.8	67.8	88.1	113.8	147.6

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参考文献(16)

[1]	闻邦椿. 基于系统工程的产品设计7D规划及1+3+X综合设计法[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2008, 29(9): 1217-1223 WEN B C. 7D planning of product design and 1+3+X integrated design method based on system engineering[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2008, 29(9): 1217-1223 (in Chinese)
[2]	王新文. 基于“三化”综合设计法的自同步直线振动筛设计[D]. 沈阳: 沈阳大学, 2015 WANG X W. The design of self-synchronizing liner shaker of based on "three integrated design method"[D]. Shenyang: Shenyang University, 2015 （in Chinese）
[3]	李金龙. 研究现代机械设计的创新设计理论与方法[J]. 科技创新导报, 2020, 17(12): 55-56 LI J L. Research on the innovative design theory and method of modern mechanical design[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2020, 17(12): 55-56 (in Chinese)
[4]	解明利, 刘春旭, 张一同. 机械压力机连杆动态结构优化设计仿真[J]. 计算机仿真, 2017, 34(9): 209-213 doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2017.09.045 XIE M L, LIU C X, ZHANG Y T. Rod system dynamic structure optimization design and simulation for the mechanical press[J]. Computer Simulation, 2017, 34(9): 209-213 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2017.09.045
[5]	SADAJ E A, HULLA M, RAMSAUER C. Design approach for a learning factory to train services[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 45: 60-65 doi: 10.1016/j.promfg.2020.04.064
[6]	宋东生, 王悦勇, 魏栋梁, 等. 基于三化综合设计的液压支架研究[J]. 煤炭科技, 2010(3): 8-10 doi: 10.3969/j.issn.1008-3731.2010.03.004 SONG D S, WANG Y Y, WEI D L, et al. Study on integrated designing hydraulic support[J]. Coal Science & Technology Magazine, 2010(3): 8-10 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1008-3731.2010.03.004
[7]	BOUAZIZ S, HILI M A, MATAAR M, et al. Dynamic behaviour of hydrodynamic journal bearings in presence of rotor spatial angular misalignment[J]. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(8): 1548-1559 doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2008.12.003
[8]	PARK T J. Effect of roller profile and misalignment in EHL of finite line contacts[C]//Proceedings of the ASME 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. Istanbul, Turkey: ASME, 2010: 395-401
[9]	庞智元, 潘宏刚, 肖增弘, 等. 多跨转子系统联轴器偏角不对中振动特性与试验研究[J]. 汽轮机技术, 2019, 61(5): 337-342 doi: 10.3969/j.issn.1001-5884.2019.05.005 PANG Z Y, PAN H G, XIAO Z H, et al. Off-center vibration characteristics and experimental study of multi-span rotor system coupling[J]. Turbine Technology, 2019, 61(5): 337-342 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5884.2019.05.005
[10]	潘宏刚, 庞智元, 肖增弘, 等. 多跨转子系统联轴器偏角不对中试验研究[J]. 动力工程学报, 2020, 40(4): 305-310,316 PAN H G, PANG Z Y, XIAO Z H, et al. Experimental study on misalignment of coupling deflection angle in multi-span rotor system[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2020, 40(4): 305-310,316 (in Chinese)
[11]	韩清凯, 王美令, 赵广, 等. 转子系统不对中问题的研究进展[J]. 动力学与控制学报, 2016, 14(1): 1-13 doi: 10.6052/1672-6553-2015-081 HAN Q K, WANG M L, ZHAO G, et al. A review of rotor systems with misalignment[J]. Journal of Dynamics and Control, 2016, 14(1): 1-13 (in Chinese) doi: 10.6052/1672-6553-2015-081
[12]	马玉鹏, 卢绪祥, 陈向民. 基于模糊综合评价的风电机组装配单元生成技术研究[J]. 汕头大学学报(自然科学版), 2020, 35(3): 55-64 doi: 10.3969/j.issn.1001-4217.2020.03.008 MA Y P, LU X X, CHEN X M. Study on generation technique of wind turbine assembly unit based on the fuzzy comprehensive evaluation[J]. Journal of Shantou University (Natural Science Edition), 2020, 35(3): 55-64 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-4217.2020.03.008
[13]	SHAN Y, ALBERS B, SAVIDIS S A. Influence of different transition zones on the dynamic response of track-subgrade systems[J]. Computers and Geotechnics, 2013, 48: 21-28 doi: 10.1016/j.compgeo.2012.09.006
[14]	GEBBINK R, WANG G L, ZHONG M. High-speed wind tunnel test of the CAE aerodynamic validation model[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2018, 31(3): 439-447 doi: 10.1016/j.cja.2018.01.010
[15]	WANG X L, GONG X B, SUGIYAMA K, et al. An immersed boundary method for mass transfer through porous biomembranes under large deformations[J]. Journal of Computational Physics, 2020, 413(2): 109444
[16]	崔向海, 王珂, 曾灿飞. 船用十字轴可伸缩式万向联轴器结构特征与运动规律[J]. 中国设备工程, 2020(18): 69-71 doi: 10.3969/j.issn.1671-0711.2020.18.042 CUI X H, WANG K, ZENG C F. Structural characteristics and motion law of marine cross shaft telescopic universal coupling[J]. China Plant Engineering, 2020(18): 69-71 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-0711.2020.18.042