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含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析.doc

含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析.doc

上传者: 周子蓝 2017-12-22 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析doc》,可适用于小学教育领域,主题内容包含含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析第,,卷第,期,,,(,,,,(,农业装备与车辆工程,,,,,,,,,,,,,,,年,月,,,,,,,,,,,符等。

含轴裂纹汽车水泵转子系统动力学特性分析第,,卷第,期,,,(,,,,(,农业装备与车辆工程,,,,,,,,,,,,,,,年,月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,(,,,,,,(,,,,(,,,,,,,,(,,,,(,,(,,,胡美玲魏道高马倩(,,,,,,安徽省合肥市合肥工业大学机械与汽车工程学院),摘要】为了获得含轴裂纹故障的汽车水泵转子系统的动力学特性本文将该系统简化为水平悬臂转子建立了叶轮受液体阻力矩的含轴裂纹水泵转子系统力学模型。基于该模型对水泵转子动力特性进行数值仿真。结果表明。水泵转子出现轴裂纹故障时频率成分新增了二、三倍频(,,,,、三倍频成分幅值随裂纹深度增加而递增轴心轨迹的形状及幅值随裂纹深度变化较大。分析结果可为水泵安全设计和裂纹故障检测提供理论参考。,关键词】水泵悬臂转子开闭裂纹非线性动力学,中圈分类号】,,,,(,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,文献标志码】,,文章编号】,,,,,,,,(,,,,),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,珊,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,恤,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,,,,,,,)(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,】,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,粥,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,【,,,,,(,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(【,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引言冷却水泵是汽车发动机冷却系的重要部件之一。水泵在工作过程中由于受到曲轴皮带轮驱动扭矩及液体阻力扭矩作用。其各零部件的振动及故障将对其运转稳定性和可靠性产生较大的影响。而水泵轴裂纹故障又是常见且对其动力学特性影响较大的因素。因此含轴裂纹水泵的动力学特性是众多学者长期以来所关心的重要课题。对于汽车水泵动力学特性许多学者已做了广泛而深入的研究周喜格对水泵零部件的有限元模型进行模态分析求得其固有频率和振型并进行了叶轮不平衡量引起的转子谐响应分析。以考察不平衡量对转子挠度的影响【,】。陈建飞计算了汽车水泵转子在给定参数下的临界转速并分析了轴承的轴向刚度和径向刚度对临界转速的影响圆。水泵转轴裂纹是其安全工作的隐患对含裂纹故障的水泵转子动力学特性进行研究能为其稳定运转提供理论参考。国内外学者关于裂纹轴转子动力学特性有了广泛深入研究。朱厚军等研究了,,,,,,,裂纹转子导出了固定坐标系中裂纹轴的刚度矩阵分析了响应的频率特性翻高建民等通过对裂纹转子参数共振及其分数倍频分量的理论分析和研究(得到了获取裂纹扩展信息的方法问。而对于含轴裂纹水泵转子系统非线性动力学特性研究的报导则较少。因此本文在以上学者研究的基础上针对含轴裂纹水泵转子。建立了一个含轴裂纹水平悬臂转子系统力学模型利用该模型研究了裂纹故障对其非线性振动特性的影响,,,。采用数值计算与仿真分析模拟了转子的振动响应分析了裂纹深度对转子动力特性的影响(获得了转子的轴心轨基金项目:国家自然科学基金资助项目(,,,,,,,,)汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目(,,,,,,,,)收稿日期:,,,,,,,,,,修回日期:,,,,,,,,,万方数据,农业装备与车辆工程,,,,年迹图、,,,,,,,映射、时域图及频谱瀑布图,,,为水泵轴的裂纹故障检测与分析提供了理论参考。,,孟,,戈一,,,,:(妒),,,,(,,,中),』,含轴裂纹水泵转子系统动力学模型以国产某型汽车发动机水泵转子系统为样机,,,,,(亿托中),,一咿撇(舶),,,,,(,,,中),聊(,瞄)(,(,一,),(,系统力学模型对其转子系统构建了如图,所示力学模型,,,。图,(,)为水泵转子系统图,嘞为叶轮工作过程中受力情,,(,,,,,,?,),,,,,,(,,,,虚)一,,,,七,一,后,(缈),,,,,,,,(,,,空)】(,,,),,,(亿,,,)撇,,,(,,理,岭‘(五聊‘),,况。,,,,为该系统固定坐标系嘲为旋转坐标系其中,,,平行于水泵叶轮平面,为泵轴法向方向。。(,,,)七。,,毛,菇,,,,(,五,咖)一式中,叶轮等效质量肛水泵旋转工频,,,,,(亿,垂),,,,,,(,,,?,)(,,),时间叶轮转动惯量瞄向振动刚度(,,。,泵轴扭转刚度戈、广两横向方向位移铲珈转方向扭转角亿,考虑扭转(,)水泵转子系统阻尼系数:,,扭转阻尼系数,,,泵轴弯曲时叶轮转角扣叶轮初始相位角,叶轮偏心距,,,。裂纹切向刚度变化量。,,蛹叶轮受力情况图,水泵叶轮转子系统力学模型,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引人无量纲参数:,,,,,(,,,,,,,,,斋,,孟,妒虹击虹者枷,,、,鲁乒,焉,瓦,,,,,,,裂纹深度越大,,,,瓦值越大。不:棚扫,荸旁,彦,,:寿‘,。则运动微分方程(,)无量纲化为:,仃,,等戈丢,一上(哕)““,,,横向裂纹在叶轮与泵轴连接部位,为泵轴直径。,为泵轴与支承之间长度,:为叶轮出口半径。,。为叶轮进口半径以为叶轮轮毂直径。,,,,,,,,,圣)】,,,,,,:,咖))一士』,,一,(,,),,盯,巾)石蚕,,,,西),(,一,)眠为叶轮受到液体的阻力扭矩,为眠等效到叶片上的阻力幅值,、,为阻力,在,、,方向的分力(,,,,为考虑扭转时的叶轮转角。在构建力学模型时做了如下假设:(,)假设泵轴的支承为刚性(,)假设泵轴上的裂纹为横向裂纹转轴裂纹的位置在叶轮与泵轴连接部位。,(,系统运动微分方程基于图,水泵转子系统力学模型运用拉格朗日运动学方程建立该转子系统沿,,方向进动和绕,方向旋转运动微分方程组:“等矿丢,一丢(妒)““,,,,(,,,,,,,中)】,,,,,,:,?,),,,(,旁),,,,“西),舀,,一,西)圻(,一,)(聊,),,。伽“。皓帆撇疵‘,戈,,,(丁,中)一矿,,(丁,,多),铲,,(,钟西)(,,),(,水泵叶轮受力分析由于水泵转子系统工作过程中受到来自液体的反作用力因此本文将液体对叶轮产生的阻力矩考虑到系统的力学模型中。万方数据图,为水泵叶轮进出口速度三角形,,,。描述了水泵叶轮对蜗壳内液体的作用口、,、,分别表示液体流动的绝对速度、牵连速度和相对速度下标,、,分别表示进口处、出口处。,,。为进口绝对液流角,【:为出口绝对液流角。,删降:。】其中:考虑涡动角时?,,,舷一,,,,,(,,,),。,凄图,裂纹轴横断面示意图,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引入符,,气生小瓦,,。,一,,,,,‘,女不帆,矿,…,其中:,水的密度,。叶轮进口处速度肛般】可(圳,,。,,,,,,(器),,,,。,洮(力,帕,))】(,),学一嘉卜,,圳考虑裂纹对裂纹法向上刚度变化的影响即龇,,则,:兰磐,:,。则固定坐标系下的刚度矩阵为(,)翼叶片环量,,,,,,万,,,,叶片数卜轮毂比丁,鲁卜叶轮直径,,,,日广本文的开关函数(厂(缈)选用方波模型【,,,厂(缈),丁,,,。,妒砉。,,舛,,未,,,,,,?:,…(,),系统动力学特性计算与分析基于以上建立的数学模型(运用四一五阶龙格库塔法对该系统的动力特性进行数值计算与分析。计算所需水泵参数如表,所示。计算参数:将以上参数带人扭矩算式得到液体,,,叶轮,,,,(,,,,,,,。,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,(,,,。,孝,,(,,,,,,(,,,,,,无裂纹时转子系统一阶临界转速为珐,,,,,,,,,,,。愕,,训,‘:鲁。,,(,,训表,水泵参数(,),,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,参数叶轮等效质量,,,,泵轴长度,,,,泵轴直径,,,叶轮半径,,,叶轮进口半径,(,叶轮出口半径,如子在,和,,方向的刚度减小量为:,,,、,,。裂纹进口绝对液流角,。(。)出口绝对液流角,一(。)叶轮轮毂半径,,,叶片数。始一吣耋吣耋懈一如一。万方数据,农业装备与车辆工程,(,裂纹对系统动力学特性影响纹引起的转轴刚度变化量瓦,,(,和,(,时系统随转速在,,,,,,,为了从全局了解水泵转子系统在出现轴裂纹,,,,,变化的频谱瀑布图(如故障时系统频率特陛的变化计算了无裂纹及裂图,(,)、(,)及()所示。(,,无裂纹(,)(,,(,(),,,,,(,图,轴心,向进动随转速变化的频谱瀑布图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,由图,知无裂纹时系统频谱图中只有工频成分随转速增加工频幅值递增有裂纹时系统频率成份中新增,,,二,、三倍频成分且工频幅值随转速增加而递增二倍频幅值在转速接近,亿临界转速时达到最大(三倍频幅值在转速达到,,临界转速附近时达到最大转速继续增加二、三倍频幅值减小。将,,,(,与一,(,情况下作对比可知(,,,(,(:,(,时各频率成分的幅值均比石,,(,时幅值有所增加说明随裂纹深度增加各频率成份幅值呈递增趋势。为了解含裂纹时水泵转子系统的轴心轨迹变化情况(选取水泵的额定转速,,,,,,,,,,,计算了无裂纹及(为,(,、,(,时的时域图、轨迹图、,,,,,,,映射及频谱图如图,(,)、(,)、()所示。,,,,,,,,,,,枞,,,,,,,时间,,,誊,,,,,,,,,,,,,,,,时间,,,,一弧一一,,图,,,,,,,,,,,,转子轴心时域图、轨迹图、,,,,,,,映射及频谱图,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,万方数据第,,卷第,期,由图,(,)可知,,,,,,随转速增加系统的工频幅值增加由于,,,幅值比,,,,,,,,,,,时转子轴心为单周期运动频率成分只有工频。由,,,,,接近临界转速的,,,。故此时二倍频成分的,,,,,时大而三倍频幅值较小图,(,)、()可见,瓦,,,(,与,,。,,,(,时转子轴心均为二周期运动轨迹形状变化较大戈向幅值随裂纹深度增加而增大无裂纹时,向幅值为一,(,当,,,,,,,,,,,,时三倍频变得不明显。可见裂纹引起的二、三倍频成分在高转速情况下幅值减小甚至不再明显。瓦,,(,时增大到一,(,。频率成分比无裂纹时都增加了二倍频和三倍频且一、二、三倍频幅值均随裂纹深度增加而增大一、二倍频幅值远大于三倍频幅值。,结论,)考虑水泵转子轴裂纹和液体阻力矩建立了该转子系统,自由度动力学方程。,)有裂纹与无裂纹相对比频率成分中新增了二倍频和三倍频成分:水泵转子由无裂纹时的单周期运动变为有裂纹时的二周期运动轴心轨迹变化较大。,)随裂纹深度增加水泵转子的轴心轨迹形状变得复杂振动幅值也呈递增趋势频率特性表现为各频率成分对应的幅值随裂纹深度增加而递增。该结果可作为汽车水泵转子裂纹识别和故障诊断的信息。参考文献【,,周喜格(汽车水泵动力学特性研究【,】(郑州:郑州大学,,,,(【,】陈建飞(汽车水泵的强度分析和转子动力学分析【,,(上海:上海交通大学(,,,,(【,】朱厚军(,,,,,,,裂纹转子动力特性的研究【,】(振动与冲击,,,,,,:,(在后。,,(,时二倍频幅值为,(,,超过了工频幅值,(,,。由此可见出现裂纹故障后(水泵转子系统动力学特性变得复杂轴心轨迹幅值随裂纹深度增加而增大频率成分新增了二、三倍频。且各频率成分幅值随裂纹深度增加而增大。,(,裂纹深度对一定工频下系统频率成分影响为了直观了解裂纹深度对一定转速下系统频率特性的影响(选取,,,,,,,,,,,,及,,,,,,,,,,,,,计算轴心,向进动幅值随相对刚度变化量变化的频谱瀑布图如图,(,)、(,)所示。相对,,】高建民朱晓梅(裂纹转子的动力特性研究,,】西北工业大学学报,,,,,,(,):,,,,,,((,)岱,,,,,,,,【,】吴昭同杨世锡(旋转机械故障特征提取与模式分类新方法,,,(北京:科学出版社,,,,(【,】,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,】,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,位,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一,,(,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,)图,轴心,向进动随相对刚度变化量瓦变化的频谱瀑布图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,【,】冯汉民(水泵学【,】(北京:水利电力出版社,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,关醒凡(轴流泵和斜流泵水力模型设计试验及工程应用,,,(北京:中国宇航出版社,,,,(【,,,何成兵顾煜炯杨昆(,,,,,,,,裂纹转子弯扭耦合振动特性分析【,】振动、测试与诊断,,,,(,,(,):,,,,,,,(作者简介胡美玲(,,,,一)女硕士研究生主要从事汽车系统动力学与非线性振动方面的研究。,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,由图,(,)、(,)可知系统在有裂纹情况下的频率成分为工频及二倍频、三倍频(比无裂纹时增加了二、三倍频且随裂纹深度增加系统各频率成分幅值均有增加趋势尤其是二倍频成分随裂纹深度增加幅值增量较大。由图,(,)与(,)对比可见万方数据

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