非线性松动转子密封系统的耦合振动分析

　　旋转机械系统中支承部件的长期振动或安装质量不高都会导致旋转部件的松动。机械松动通常可以分为旋转部件的松动和基础松动两种形式,其中轴承座与基础之间的松动是旋转机械中常见的故障。在滚动轴承支承的转子系统中,有时轴承外圈与支座间过大的间隙配合,或者由于轴承的磨损也会导致间隙的产生。一旦出现松动间隙,转子振动特性就会发生变化,而且支承特性是非线性的,在任何间隙条件下的刚度矩阵都是分段线性的。带有松动故障的旋转机械工作时会产生周期性的碰磨,从而系统刚度也会周期性的变化。

　　近年来国内科学者针对这类问题展开了广泛的研究,但以往这些研究大部分集中在松动转子轴承系统和考虑油膜影响的松动转子轴承油膜系统的研究,对于加气流密封力的松动转子系统的研究不是很多。密封广泛用于透平压缩机械中,随密封间隙的不断减小和转子柔性的不断增大,它是引起自激振动的重要因素[1,2]。一般认为,密封激振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,密封激振力具有非线性特性[3~6]。迷宫密封产生的激振力对机器转子的运动特性有不良的影响,是大型透平机组发生失稳的一个重要原因,故考察各密封参数对转子系统特性系数的影响,恰当确定和选取密封的有关参数,使激振力最小、系统最稳定具有重要意义。

　　目前分析转子-密封系统主要采用的是八参数模型和Muszynska模型。八参数模型基于线性化的理论描述密封激振力,虽然在一定程度上解释了某些物理现象,描述了系统的运动特性,但却难以反映密封力的非线性特性,在分析转子的运动特性时存在很大局限性。Muszynska模型用平均流速比作为描述密封力的关键量,表达出密封对转子的扰动运动具有惯性效应、阻尼效应和刚度效应[7~9]。同八参数模型相比较,Muszynska模型具有明确的物理意义,简单概括,较好地反应了密封力的非线性特性,得到了试验的验证。笔者研究考虑了松动转子系统,在非线性密封力作用下的耦合振动行为,不仅反映了系统具有非常丰富的非线性动力学行为,而且揭示了系统参数变化时系统运动特性的变化规律。

　　1　松动转子系统的力学模型与运动微分方程

　　由于转子的松动与气流密封力过程非常复杂,涉及的因素较多,为突出主要问题,笔者不考虑轴径的运动,以便考察松动与密封力耦合故障对转子动力学特性的影响,转子模型如图1所示。

　　假定支座的一端发生松动,松动的最大间隙为δ1,松动的支座质量为M,如图1所示。设圆盘位移为x,y,轴承支座在竖直方向上的位移为y1,则转子系统的运动微分方程为[10]