利用有限元方法研究旋转机械中的单一故障和同时发生的故障

《Scientific Reports》：Investigation of singular and simultaneous faults in rotating machines using the finite element method

　　

摘要

旋转机械的故障在电力生产、制造业、石油和天然气以及航空航天等关键行业中持续带来巨大的经济、运营和安全风险，因为计划外的停机可能会严重扰乱生产并增加维护成本。本研究通过提供基于物理学的综合分析，填补了故障管理领域的一个关键空白，探讨了旋转机械在同时发生转子故障时的动态行为。这些情况与真实的工业环境高度吻合，但在现有文献中尚未得到充分研究。基于Timoshenko梁理论的有限元（FE）模型被开发出来，并利用实验室规模的两级转子试验台的实验模态和振动数据进行了校准和验证。研究考察了五种常见缺陷——不平衡、不对中、轴弯曲、底座松动和部分转子摩擦——在各种组合情况下的相互作用及其对系统动态的影响。经过验证的FE模型成功再现了实验中观察到的特征振动信号，包括与不平衡和不对中相关的谐波响应、由于轴弯曲导致的偏心放大效应、由松动引起的间歇性冲击行为，以及由摩擦产生的超谐波和混沌成分。研究揭示了耦合故障如何改变动态响应，包括在自然频率附近的位置特定放大效应、主导谐波的速度依赖性变化，以及由摩擦-弯曲相互作用驱动的脉冲响应。这些发现为基于振动的状态监测技术的发展提供了重要潜力，为智能诊断系统中特征选择的改进奠定了基础，并支持开发出用于管理工业机械中转子相关故障的稳健且基于物理原理的方法。