[0001] 本
发明属于
旋转机械安全保障技术领域，涉及一种碰摩失稳转子/定子的快速分离方法。
[0002] 转子—
轴承系统是透平机械中的关键部件，被广泛应用于电
力、化工、机械、航空、车辆和舰船等重要行业之中。转子系统通常由转子(
叶片)、定子(
密封件)组成，这种动静件结构上的设计间隙一方面会带来
热损失，另一方面也是碰摩发生的结构根源。由于
基础振动、外力冲击等原因，即使初始处于正常运行的机组可能会偏离运转轨迹，当转子响应幅值超过设计间隙时，引起转子与定子
接触，从而诱发动静件的碰摩。目前大型旋转机械的设计趋向于高速、重载，而转子与定子间的间隙相对缩小，从而导致碰摩故障的可能性大大增加。碰摩响应中，接触界面干摩擦效应可能会引起转子的反向涡动，进而诱发转子干摩擦自激反向涡动失稳，即使
马上开始降速,反向涡动响应仍将保持且不能通过简单的减速而使转子与定子分离。当接触面
摩擦系数较大时，即使在亚临界转速区，甚至转速很低的情形下就可能出现这种自激反向失稳响应。处于这种碰摩状态的转子/定子系统往往会引起数倍甚至数十倍于间隙尺寸的大幅振荡，导致机组振动、轴的挠曲
变形、设备磨损等安全隐患，严重时会引发灾难性的后果。
[0003] 目前，工程上针对转子系统中干摩擦自激反向失稳的解决方法主要采用被动防护手段(如辅助轴承或调整转速)，这种方法仅能临时性减轻碰摩故障带来的危害，而不是长期的解决方案。主动控制的方法虽在一定程度上能够使系统稳定在理想的运动状态，但是转子一旦受到扰动进入干摩擦自激反向失稳，这种方法很难使其脱离这种大幅震荡状态，容易导致控制失效，并且其
控制器结构复杂，制造和维护成本较高。从全局响应结构上来看，这些方法均不能从机理上使动静件分离，抑制干摩擦自激反向失稳产生的危害。而根本上解决这类问题的关键应从系统全局响应行为入手，结合非线性系统分岔理论，进而改变系统响应的全局结构。
[0007] 在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为无接触随机
载荷扰动，转子的
不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩的小幅振荡上；然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。
[0012] 式中wi为施加在转子上的噪声激励，ε1和ε2分别表示沿
水平和垂直方向的噪声强度，ks为
转轴刚度，c为转子阻尼系数，e为偏心距，m为转子的不平衡
质量，ω为转子的旋转速度，t为时间；
[0013] 在直
角坐标系下，转子振幅 表示，r0为转子/定子碰摩间隙；Θ为Heaviside函数表示碰摩的判断准则，当r
[0014] fx、fy为转子的碰摩力：
[0015]
[0016] 其中vrel表示转子与定子在接触点的相对速度；符号函数sign反映了接触点
摩擦力的方向，μ为摩擦系数；ωw为转轴的进动
频率；kb为定子刚度；rdisk为转盘半径。
[0017] 当ε1＝ε2＝0时，在碰摩响应的初期，碰摩系统的全局响应中包含无碰摩的响应以及大幅值的干摩擦方向涡动；此时对转子施加合适强度的噪声扰动，其中0.1<ε1<0.2，0.1<ε2<0.2，则系统的响应将迅速减小，并很快脱离大幅振荡响应。
[0018] 所述的随机噪声的施加为：通过非接触的电磁类发生器将随机噪声载荷施加在转子上。
[0019] 所述采用非接触式的传感和作动一体化的电磁类作动器对转子/定子碰摩系统监控，在检测确定发生转子与定子的碰摩后迅速对转子施加随机噪声载荷，使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩状态快速脱离开来。
[0020] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0021] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，从全局响应方面影响转子大幅振荡处的
稳定性，从随机动力学的角度入手，结合噪声诱导下非线性系统分岔理论，通过无接触随机载荷扰动下使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩状态快速脱离开来，达到使系统达到快速脱离干摩擦自激反向失稳的目的，可大大减小了因转子与定子长期碰摩接触而造成的转子和定子的过度损伤。
[0022] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，该方法的原理是通过随机噪声载荷改变转子大幅振荡响应的稳定性，同时增大正常运行的稳定区域，使转子/定子系统在随机噪声诱导下脱离干摩擦反向失稳状态，并返回到小幅响应的状态上来，以避免造成转子和定子的过度损伤。本方法具有分离速度快、便于实现、性能可靠等优点。
[0023] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，通过转子动力学的数值仿真，对该方法在分离转子/定子反向碰摩响应的作用效果进行了验证。研究表明：在碰摩初期系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加适当的随机噪声激励，转子的响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩的小幅振荡上，此时可撤去随机噪声激励，转子系统将继续维持在无碰摩的正常运行状态，响应幅值约缩小为干摩擦反向失稳状态的五分之一。在分析中，随机噪声的输入功率与转子不平衡响应的功率在同一数量级，仅约为干摩擦反向失稳时响应功率的千分之一，因此小的随机噪声功率即可达到使碰摩转子与定子分离目的，便于在实际工程中实现。
附图说明
[0024] 图1为噪声诱导下处于干摩擦自激反向失稳的转子响应幅值变化情况。
具体实施方式
[0025] 下面结合具体的
实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0026] 本发明提供的碰摩失稳转子/定子的快速分离方法，包括以下操作：
[0027] 在转子/定子碰摩系统进入干摩擦反向失稳后，在转子上施加随机噪声激励作为无接触随机载荷扰动，转子的不平衡响应会迅速地从幅值很大的干摩擦反向失稳跃迁到无碰摩的小幅振荡上；然后撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。
[0028] 本方法从随机动力学的角度入手，结合噪声诱导下非线性系统分岔理论，提出一种基于无接触随机载荷扰动下使转子与定子由具有破坏性的干摩擦自激反向失稳的碰摩状态快速脱离开来的解决方案。分析中考虑实际问题中的干摩擦效应和碰摩刚度，在噪声影响下转子/定子碰摩系统的动力学模型可表示为
[0029]
[0030] 式中wi为施加在转子上的噪声激励，εi表示噪声强度，ks为转轴刚度，c为转子阻尼系数，e为偏心距，m为圆盘的不平衡质量，ω为转子的旋转速度，t为时间。在直角坐标系下，转子振幅通过 表示，r0为转子/定子碰摩间隙。Θ为Heaviside函数表示碰摩的判断准则，当r
[0031]
[0032] 显然，这是一个分段光滑的非线性随机系统，其中vrel表示转子与定子在接触点的相对速度；符号函数sign反映了接触点摩擦力的方向，μ为摩擦系数；ωw为转轴的进动频率；kb为定子刚度；rdisk为转盘半径。
[0033] 当ε1＝ε2＝0时，对确定性系统的分析可知：在碰摩响应的初期，系统的全局响应中包含无碰摩的响应以及大幅值的干摩擦方向涡动。此时，若系统初始
位置不当或运行中受到外界冲击将很容易直接诱发干摩擦方向涡动响应，进而引起失稳。此时若对上述系统中施加合适强度的噪声扰动(其中0.1<ε1<0.2，0.1<ε2<0.2，)则系统的响应将迅速减小，并很快脱离大幅振荡响应。
[0034] 具体的，可通过采用非接触的电磁类发生器来实现将随机噪声载荷施加在转子上。
[0035] 进一步还可以考虑采用非接触式的传感和作动一体化的电磁类作动器，在检测确定发生转子与定子的碰摩后迅速对转子施加特定的随机噪声载荷。
[0036] 参见图1，图中显示了噪声强度ε1＝ε2＝0.12时，初始处于干摩擦自激反向失稳的转子系统，在噪声诱导下其响应幅值迅速减小，当进入小幅振荡时撤去随机噪声激励，转子将继续维持在无碰摩的正常运行状态。
[0037] 以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
