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有界噪声激励下基座松动碰摩故障转子动力学行为的实验研究与分析

一、引言

1.1研究背景和意义

在现代工业领域，旋转机械作为核心设备广泛应用于航空航天、能源电力、石油化工、交通运输等众多关键行业，如航空发动机、燃气轮机、发电机、压缩机等。而转子系统作为旋转机械的核心部件，其运行状态直接关系到整个设备的性能、可靠性与安全性。确保转子系统的稳定、高效运行，对于保障工业生产的连续性、提高生产效率、降低运行成本以及避免重大安全事故具有举足轻重的意义。例如，在航空发动机中，转子系统的微小故障都可能引发严重的飞行事故；在电力系统中，发电机转子的故障会导致大面积停电，给社会经济带来巨大损失。

基座松动和碰摩故障是转子系统中常见且危害较大的故障形式。基座松动会使转子系统的支撑刚度发生变化，打破系统原有的动力学平衡，导致振动加剧、噪声增大，进而影响设备的正常运行。碰摩故障则是由于转子与静止部件之间的间隙过小或异常位移，导致两者发生接触摩擦，这不仅会加剧部件的磨损，还可能引发强烈的振动和冲击，严重时甚至会导致转子断裂、设备停机等灾难性后果。此外，在实际工业环境中，转子系统不可避免地会受到各种随机激励的影响，其中有界噪声激励是一种常见且具有代表性的随机干扰。有界噪声激励的存在会进一步复杂化转子系统的动力学行为，使得故障特征更加难以识别和分析。例如，在石油化工生产中，泵和压缩机的转子系统会受到来自工艺流体的压力脉动、机械部件的振动以及周围环境噪声等多种有界噪声的干扰，这些干扰会与基座松动和碰摩故障相互作用，增加了设备故障诊断和维护的难度。因此，深入研究有界噪声激励下基座松动碰摩故障转子的动力学行为，对于揭示故障发生发展机理、提高故障诊断准确率以及制定有效的故障预防和控制措施具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

关于基座松动故障，国内外学者已开展了大量研究。在理论建模方面，南黄河建立了旋转机械一侧基础松动拉杆转子动力学模型，利用Wilson-θ法分析该系统的动力学响应，发现转子基础松动对其动力学行为有很大影响，考虑基础松动后，其分岔点后移，且运动行为更为复杂丰富。在实验研究方面，一些学者通过搭建实验平台，模拟基座松动故障，分析其对转子系统振动特性的影响，如通过改变松动螺栓的数量和位置，研究转子系统的振动响应变化规律。

对于基座松动-碰摩耦合故障，马辉等人基于有限元法，建立考虑松动、碰摩及松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统的动力学模型，其中松动故障采用分段线性刚度和阻尼模型，转定子碰摩采用点-点接触模型。研究表明，碰摩在耦合故障中处于主导地位，而松动主要影响松动端局部振动处于从属地位；松动-碰摩耦合故障响应在低转速和高转速与单一碰摩故障类似，在中间转速存在一些差别，但总体运动趋势基本一致。曲秀秀等人建立了不平衡-碰摩-基础松动耦合故障的转子动力学模型，运用模态截断法和数值积分方法获取转子系统的振动响应，并借助盲源分离方法进行转子系统耦合故障信号分离研究，通过实验验证了所建立故障动力学模型的正确性以及利用盲分离方法实施耦合故障分离的有效性。

在随机激励转子的研究方面，陈拥军等人基于线性二次型高斯控制理论，给出了转子系统在白噪声激励作用下振动控制的随机最优控制规律，并通过成形滤波器把有色噪声变为白噪声，得到了有色噪声激励作用下的随机最优控制规律，研究表明该控制策略能够有效地抑制转子系统的振动。LucieBachelet等人研究了在随机旋转基极激励下转子的动力学行为，该随机激励被假设为平稳的和遍历的截断的高斯白噪声，通过计算最大Lyapunov指数研究转子的稳定性，并通过蒙特卡洛模拟获得静态强制响应的功率谱密度。

然而，现有研究仍存在一定不足。一方面，对于有界噪声激励下基座松动碰摩故障转子的动力学行为研究较少，尤其是考虑实际工业环境中复杂有界噪声特性的研究更为匮乏。另一方面，在实验研究中，缺乏对多种故障因素相互作用下转子系统动力学特性的全面深入分析，难以准确揭示故障发生发展的内在机制。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：设计并搭建有界噪声激励下基座松动碰摩故障转子实验台，模拟不同程度的基座松动和碰摩故障，以及施加不同特性的有界噪声激励；利用传感器采集转子系统在各种工况下的振动、位移等动力学响应信号；运用时域分析、频域分析、时频分析等方法对采集到的数据进行处理和分析，提取故障特征参数，研究有界噪声激励下基座松动碰摩故障转子的动力学行为规律；建立考虑有界噪声激励、基座松动和碰摩故障的转子系统动力学模型，通过数值仿真与实验结果进行对比验证，进一步深入分析故障机理。

在研究方法上，采用实验研究与理论分析相结合的方式。实验方面，精心设计实验方案，确保实验条件的可重复性和准确性，全面采集各种工况下的