一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法与流程

技术特征：

1.一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用有限元方法建立带有螺旋螺纹的螺栓模型以及带有螺旋内螺纹孔的转子系统基础模型，并将轴承支座用质量块代替，用螺栓将轴承支座与转子系统基础模型联接；

2)对1)中建立的带有螺旋螺纹的螺栓联接有限元模型进行松动分析，获得螺栓松动量与螺栓张紧力之间的变化规律，进一步得到螺栓联接结合面在不同螺栓张紧力之下的压力分布规律，即可获得螺栓联接结合面间载荷分布随螺栓松动量的变化规律；

3)根据2)中所获得的螺栓联接结合面间载荷分布与螺栓松动量的变化规律，联合基于分形接触模型获得的结合面法向接触刚度、阻尼的公式，获取螺栓联接结合面的法向接触刚度、阻尼随螺栓松动量的变化规律；

4)根据螺栓联接中刚度、阻尼的串并联关系，联系3)中所获得螺栓联接结合面接触刚度、阻尼的变化规律，获得松动处的等效刚度、阻尼随着松动量的变化规律；

5)由4)获得的松动处的等效刚度、阻尼随着螺栓松动量的变化规律，建立以松动的轴承支座为研究对象的动力学模型，其动力学方程如下：

$M\stackrel{\·}{y}+C_s\left(l\right)\stackrel{\·}{y}+K_s\left(l\right)y=F_o\left(h\right)$

其中，M表示松动的轴承支座的质量，y表示松动的轴承支座的位移，F_o表示轴承支座竖直方向上所受的油膜力，h表示轴承内润滑膜的厚度；K_s、C_s表示松动处的等效刚度、阻尼，l表示螺栓松动量；

在动力学模型中，螺栓的松动量与轴承支座的位移相等即y＝l，因此动力学方程变为：

$M\stackrel{\·\·}{y}+C_s\left(y\right)\stackrel{\·}{y}+K_s\left(y\right)y=F_o\left(h\right)$

通过对此方程的求解，获得轴承支座松动量y与轴承支座所受油膜力F_o(h)之间的关系；

6)数值求解油膜力与润滑膜厚度的雷诺方程，获得滑动轴承内部油膜力和润滑膜厚度的分布规律，通过对油膜力分布在轴瓦上积分，获得油膜对轴瓦在竖直方向上的力，再结合润滑膜厚度分布规律，可得到润滑膜厚度分布h与轴承支座松动量y的关系；

7)根据滑动轴承润滑膜厚度光纤动态监测分析处理系统，在线实时监测滑动轴承内部润滑膜厚度分布h的变化规律；

8)依据6)中所得润滑膜厚度分布h与轴承支座松动量y的关系对监测到的润滑膜厚度信息进行数据滤波，即可在线定量识别分析出支座松动故障信号。

2.根据权利要求1所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，步骤1)中，建立带有螺旋螺纹的螺栓联接有限元模型，具体步骤如下：

2.1)利用外螺纹竖直方向的截面轮廓线以二维单元建立横截面上的螺纹轮廓模型，将螺纹轮廓模型至于坐标z＝0的平面上；

2.2)将2.1)中螺纹轮廓有限元模型逆时针旋转2π/n度，并上移至z＝P/n平面上；

2.3)将2.1)、2.2)中两个模型对应节点连接；

2.4)重复2.2)、2.3)步骤n次，获得一个螺距的螺栓模型；n表示分层数，根据所需精度选择，z表示三维直角坐标系的高度轴；

通过对一个螺距模型堆叠获得所需螺栓的模型，利用相同的方法可以获得内螺纹的模型，通过接触配合可以获得螺栓连接整体的有限元模型。

3.根据权利要求2所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，外螺纹竖直方向的截面轮廓线划分为：螺纹根部、螺纹牙侧及螺纹牙顶，各部分半径表达式为：

$r=\left\{\begin{array}{cc}\frac{d_1}{2}=\frac{d}{2}-\frac{5}{8}H& (0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_1)\\ \frac{H}{\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}+\frac{d}{2}-\frac{7}{8}H& ({\mathrm{\θ}}_1\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_2)\\ \frac{d}{2}& ({\mathrm{\θ}}_2\≤\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中，r表示螺栓横截面上螺纹到螺栓中心轴线的距离，d表示螺栓公称直径，d₁表示螺栓外螺纹小径，H为螺纹工作高度，θ表示螺栓横截面上螺纹任意一点的角度，P表示螺距。

4.根据权利要求1所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，步骤3)中，根据分形接触模型建立的结合面法向接触刚度数学模型如下：

$K_n=\frac{2ED}{\sqrt{\mathrm{\π}}(1-D)}{\mathrm{\ψ}}^{(2-D)/2}{a_l}^{D/2}({a_l}^{(1-D)/2}-{a_c}^{(1-D)/2})$

结合面接触载荷有：

当1＜D＜2,D≠1.5时，

$\begin{array}{c}P=\frac{2^{(4-D)/2}\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{EDG}}^{(D-1)}{\mathrm{\ψ}}^{(2-D)/2}{a_l}^{D/2}}{3(3-2D)}\[{a_l}^{(3/2-D)}-{a_c}^{(3-2D)/2}\]\\ +\frac{{\mathrm{k\σ}}_y{\mathrm{D\ψ}}^{(2-D)/2}}{2-D}{a_l}^{D/2}{a_c}^{(2-D)/2}\end{array}$

当D＝1.5时，

$P=2^{1/4}\sqrt{\mathrm{\π}}{\mathrm{EG}}^{1/2}{\mathrm{\ψ}}^{1/4}{a_l}^{3/4}ln\frac{a_l}{a_c}+3{\mathrm{k\σ}}_y{\mathrm{\ψ}}^{1/4}{a_l}^{3/4}{a_c}^{1/4}$

其中，D和G为粗糙表面分形参数，E为两接触材料的复合弹性模模量，P是结合面接触载荷，a_l为微接触最大面积，a_c为微接触临界面积，k＝H/σ_y，H表示较软材料的硬度，σ_y表示较软材料的屈服强度，ψ为微接触大小分布域扩展因子；

法向接触刚度是结合面间载荷的函数；接触阻尼也是结合面间载荷的函数；联合获得结合面间载荷分布与螺栓松动量之间的关系，可获得法向接触刚度、阻尼与螺栓松动量之间的关系式。

5.根据权利要求1所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，步骤4)中，松动处的等效刚度、阻尼随着松动程度的变化规律为：

K_s(l)＝k_c(l)+k_b

C_s(l)＝c_c(l)+c_b

其中，K_s、C_s为松动处的等效刚度、阻尼，k_c、c_c为螺栓联接结合面的法向接触刚度、阻尼，k_b、k_b为螺栓的刚度和阻尼，l为螺栓的松动量。

6.根据权利要求1所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，步骤6)中，油膜力与润滑膜厚度关系如：

$\frac{1}{R^2}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\α}}\left(\frac{h^3}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂p}{\∂\mathrm{\α}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{h^3}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂p}{\∂z}\right)=6\mathrm{\ω}\frac{\∂h}{\∂\mathrm{\α}}+12\frac{\∂h}{\∂t}$

其中，R表示轴颈半径，α表示圆周角度，h表示润滑膜厚度，μ表示润滑油粘度，p表示油膜力，z表示轴向坐标，ω表示轴颈的转速，t表示时间，利用有限差分法求解该方程，可以获得油膜力分布和润滑膜厚度的分布情况；

获得轴承支座所受竖直方向上的油膜力表达式为：

$F_o=\underset{\mathrm{\φ}}{\overset{\mathrm{\φ}+2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{-m/2}{\overset{m/2}{\∫}}{\mathrm{pR}}^{\′},sin\mathrm{\α}dzd\mathrm{\α}$

其中，φ表示最大油膜厚度出的角度值，m表示轴承的宽度，R'表示轴瓦半径。

7.根据权利要求1所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，步骤7)中，在线实时监测滑动轴承内部润滑膜厚度分布h的变化规律具体为：

光从光源发出，经过入射光纤(7)射入润滑膜(1)，由于润滑膜(1)的透光性，光照射至轴承中的轴瓦(3)表面，经过轴瓦(3)表面反射之后进入两组接收光纤，随着润滑膜(1)厚度的变化，光纤探头(2)端面至轴瓦(3)表面的距离发生变化，接收光纤所接收的光强发生变化，根据接收光强的变化获得润滑膜(1)的厚度；两路接收光纤末端输出的光强经过光电转换、低通滤波及硬件比值模块，再由采集卡采集至上位机，在上位机中处理分析过后获得滑动中轴承内润滑膜的厚度。

8.根据权利要求7所述的一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法，其特征在于，滑动轴承润滑膜厚度光纤动态监测分析处理系统包括与光纤探头(2)、前置器(4)和上位机；

所述的上位机的数据采集卡连接前置器(4)，前置器(4)通过三路光纤连接光纤探头(2)，光纤探头(2)伸入轴瓦(3)中的润滑膜(1)处；三路光纤是由入射光纤(7)及围绕在入射光纤(7)周围的两组接收光纤组成，其中第一接收光纤(5)在内圈，第二接收光纤(6)在外圈；

所述的前置器(4)包括光源、电源模块、光电转换模块、低通滤波模块和硬件比值模块；光源连接入射光纤(7)提供入射光，电源模块分别连接光源、光电转换模块、低通滤波模块和硬件比值模块，为前置器(4)内部模块提供电能；第一接收光纤(5)、第二接收光纤(6)分别依次连接对应的光电转换模块和低通滤波模块，两个低通滤波模块均连接硬件比值模块和数据采集卡，硬件比值模块也连接数据采集卡。