基于虛擬樣機技術的風機裂紋故障仿真研究

白 潔 陳春蘋 王 芃 殷愛鈞 梁 磊

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心 北京）

一、引言

旋轉機械廣泛應用于電力、石化、冶金、航空、航天、機械制造等各部門，大部分都屬于工廠中的關鍵設備。將虛擬樣機技術應用到風機轉子系統的故障仿真中，對具體風機轉子系統建模，從旋轉機械故障機理和特征入手，仿真了風機轉子系統的裂紋故障，探究一種用于旋轉機械設備的新的故障預測與故障診斷方法。

二、帶裂紋故障的風機轉子系統的建模

整個風機系統由電機、液力耦合器、加速機、風機組成，單吸入多級雙支撐結構。風機的進出氣口分別位于定子兩端，方向均為側向垂直向下。風機兩端采用滑動軸承，軸承與齒輪的潤滑由潤滑油站的油泵強制潤滑。電機轉速2985 r/min，電機功率1120 kW，風機額定轉速4800 r/min，風機定子質量14 916 kg，轉子組質量1246.5 kg，低壓側葉輪316 kg，高壓側葉輪309.2 kg。

適當簡化后，風機的虛擬樣機模型如圖1、圖2，包括低壓側葉輪，高壓側葉輪，風機主軸，滑動軸承和機殼。

三、風機主軸的靜力分析

風機主軸材料為45#鋼，彈性模量200 GPa，泊松比 0.3，密度 7800 kg/m3。建立有限元模型前，先對實體模型進行適當簡化，忽略螺孔、倒角、退刀槽等細小局部的影響。

ANSYS在對不規則空間實體進行網格劃分時，往往只能采用4面體單元，不但會大大增加單元的個數，浪費資源，而且還會造成計算精度的下降，因此，在進行三維仿真分析時，在允許的情況下應盡量采用6面體單元來建模。

在進行風機主軸的靜力分析時，將主軸單元簡化為前端(低壓側葉輪端)固定、后端游動的簡支梁結構。在安裝軸承處施加約束，其中在靠近低壓側葉輪端的軸承處讓UX=UY=UZ=0，在靠近高壓側葉輪端的軸承處讓UY=UZ=0。將兩葉輪的重力施加在主軸相應位置圓柱的上表面，將電機轉矩施加在葉輪主軸相應位置圓柱的下表面，并以力的形式平均加載在每個節點上。低壓側葉輪重力F1=3096.8 N，高壓側葉輪重力F2=3030.16 N，輸入轉矩M=3583 N·m。施加約束和載荷后的風機主軸單元有限元模型如圖3所示。

圖1 風機機殼虛擬樣機模型

圖1 噴碼偏離模擬圖

圖3 風機主軸有限元模型

通過計算發現最大應力出現在低壓側葉輪一端軸肩根部（與現場裂紋產生的位置一致）。在負荷較大的情況下，此處最易遭到破壞。圖4為風機主軸受載情況下第一、第三和von-mises應力分布云圖。

四、帶裂紋故障的風機轉子系統的振動特性分析

為了模擬有裂紋故障的風機轉子的動力學特性，在低壓側葉輪一端軸肩根部，即最大應力處，建立一整周最深為4 mm的裂紋（圖5），并生成相應的mnf中性文件。

圖4 風機主軸的應力分布

此外，該風機所用軸承是滑動軸承，當工作角速度由零逐漸上升至ω時，軸頸與軸承表面間自然形成收斂楔隙的卷吸效應逐漸增強，油膜力逐漸托起轉子。理想工作狀態下，軸頸中心是沿著一條靜態平衡線上浮，直到油膜中產生的合力與軸頸上作用的載荷平衡時，軸頸中心就穩定在靜態平衡線上某一點，即靜態工作點處。在一般工況下，轉子實際處于受外界擾動的非穩定狀態，此時軸頸的中心繞著靜態工作點渦動，油膜中除了產生上述的靜態油膜力外，還將派生出由軸頸的位移和速度擾動產生的附加動態油膜力，而轉子則是在外激勵和動態油膜力的共同作用下處于非定常狀態工作的。油膜的動態特性可用相應的剛度和阻尼矩陣表示，即式（1）。

油膜軸承的動力學模型如圖6所示，kx，y，ky，x，cx，y，cy，x分別稱為交叉剛度系數和交叉阻尼系數，它們表示油膜力在兩個相互垂直方向的耦合作用。油膜剛度系數、阻尼系數和軸頸上作用的質量，表示未擾動時油膜力對軸頸的動力學特性。但上述8個系數是相對于一個平衡位置，即平衡位置與8個系數是相互對應的，工程上把考慮油膜動特性的滑動軸承當作彈性支撐考慮。

通過對支撐點處振動情況的測試可以看出，當有裂紋存在時，時域圖中低壓側葉輪端的振動幅值明顯偏高，激起了振動的高階成分，2×、3×和4×并伴隨有明顯的1/2×和3/2×的分頻成分，從轉子振動特征的軸心軌跡可以看出，低壓側葉輪端軸心軌跡為明顯的8字形。除此之外，轉子軸心振動特征含有較明顯的一、二、三階正進動和一、二、三階反進動。轉子振動的正、反進動量，都準確地反映轉軸裂紋故障。圖7、圖8分別為風機正常運轉時和有裂紋故障彎曲振動時的時頻圖和軸心軌跡。

五、結論

將虛擬樣機技術運用到風機轉子系統的裂紋故障研究中。對建立的虛擬樣機模型進行仿真，從中提取了有效的故障信號，總結了故障的特征現象。基于虛擬樣機的故障仿真技術，使整個故障過程更加直觀清晰地呈現在人們的面前，其重復性大大方便了實驗數據的采集、分析和處理工作，很大程度上提高了診斷的準確性和可靠性。

圖5 裂紋主軸的有限元模型

圖6 油膜軸承的動力學模型

圖7 時頻圖

圖8 軸心軌跡