Vibration analysis of nonlinear-dynamic rotor-bearing systems and defect detection

Abstract

This work focuses in two main directions of rotor dynamics field, the simulation of rotor bearing systems and the fault diagnosis. From the serious multiple faults that can appear in a rotor bearing system two of them are the target of current research: the transverse fatigue crack of a rotor and the radial extended wear in a bearing. The transverse crack is a defect able to bring a catastrophic failure of the system when the growth (depth) takes high percentage values relatively to radius of the shaft (i.e. >60%) and the symptoms of crack presence have been widely investigated during last four decades yielding efficient methods for the early crack detection. On the other hand the defect of bearing wear is much less investigated without results connected with wear diagnosis methods. Concerning previous works in those two defects the current dissertation’s persuasion is firstly to make a proposal in bearing wear detection, secondly to achieve a method definition able to detect a breathing transverse crack in a different way from those referred to literature. For the subject of crack detection, a different crack breathing model is proposed with emphasis in coupled local compliances definition and their variation during rotation while for the subject of bearing wear detection, a wear model from the literature is used with emphasis in rotor bearing system construction in a different way in relation to what up to now is available in literature. The rotor bearing system construction (simulation) is a matter widely investigated since early 60’s and some points of the current work try to differ in the way that the rotor and the fluid film bearings interact in discrete time. The concept of nonlinear fluid film forces is confronted in this work leaving out the nonlinear stiffness and damping bearing fluid film coefficients and assuming that during the journal whirling no equilibrium point must be defined in order to evaluate the future progress of vibration. Towards generality the fluid film bearings are not defined geometrically as short or long. These two specific geometric assumptions of short/long bearing appear widely in real machines and yield analytical expressions of fluid film forces but in current work the finite fluid film bearing is used demanding the well known finite difference method in order to evaluate the impedance forces, as many researches have propose. Both defects are met in a rotor bearing system parted from a continuous rotor and finite fluid film bearings. An entire chapter is dedicated in the way that Rayleigh equation of rotor motion incorporates internal damping using exclusively Real number confrontment, and in the way that fluid film forces react in rotor motion by defining boundary conditions in every discrete time moment. The definition of boundary conditions in discrete time makes them functions of the entire system response yielding a nonlinear dynamic system with the resulting time histories to be characterized from periodicity or quasi-periodicity sometimes depending in the defects presence. An extended analysis of time histories of the intact and the defected system is made in order to invest the symptoms of each defect in magnitudes of time and frequency domain. Timefrequency analysis is performed using continuous wavelet transform in virtually or really (the former from simulation, the latter from experiment) acquired time histories in order to extract the variable coupling phenomenon exclusively due to the breathing crack from the other two main reasons of coupling, the bearings and the shaft. ........

Η συγκεκριμένη διατριβή επικεντρώνεται κυρίως σε δύο κατευθύνσεις του αντικειμένου της δυναμικής των περιστρεφόμενων αξόνων: την προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων και την ανίχνευση βλαβών σ΄αυτά τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Από τις συνήθως απαντώμενες βλάβες σε τέτοια συστήματα δύο από αυτές αποτελούν στόχους για τη συγκεκριμένη εργασία: η εγκάρσια ρωγμή λόγω κόπωσης του άξονα και η ακτινική φθορά των εδράνων ολίσθησης. Η εγκάρσια ρωγμή είναι μία βλάβη ικανή να επιφέρει ολοκληρωτική καταστροφή της μηχανής στην οποία παρουσιάζεται, όταν η έκτασή της υπερβαίνει το 60% περίπου της διαμέτρου και τα συμπτώματα της ρωγμής στην ταλαντωτική συμπεριφορά του συστήματος έχουν εκτενώς διερευνηθεί τις τελευταίες δεκαετίες, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ποικίλων μεθόδων για την έγκαιρη ανίχνευση της βλάβης. Αντιθέτως, η φθορά των εδράνων αποτελεί μία βλάβη πολύ λιγότερο διερευνημένη συγκριτικά με τη ρωγμή, χωρίς αποτελέσματα για την διάγνωσή της κατά τη λειτουργία της μηχανής. Έχοντας υπ’ όψη τις εργασίες των προηγουμένων ετών στο αντικείμενο της ανίχνευσης αυτών των δύο βλαβών, η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο πρωτίστως να προτείνει μεθόδους για την ανίχνευση της φθοράς του εδράνου και δευτερευόντως να επιτύχει την ανίχνευση της ρωγμής με ένα διαφορετικό ως προς τη φιλοσοφία, και απλό ως προς την εφαρμογή τρόπο, αναφορικά με τις μέχρι σήμερα μεθόδους. Για το αντικείμενο της ανίχνευσης της ρωγμής, προτείνεται αρχικά μία διαφορετική προσομοίωση της συμπεριφοράς της κατά την περιστροφή με έμφαση στον υπολογισμό των τοπικών ενδοτικοτήτων σύζευξης κατά την διάρκεια της λειτουργίας του συστήματος, ενώ για το αντικείμενο της ανίχνευσης της φθοράς χρησιμοποιείται ένα ήδη υπάρχον μοντέλο από τη βιβλιογραφία. Και οι δύο βλάβες ενσωματώνονται σε μία νέα ως προς τη βιβλιογραφία προσομοίωση συστήματος αξόνων και εδράνων η οποία αντιμετωπίζει τον άξονα και τα έδρανα ως ένα ενιαίο σύστημα χρησιμοποιώντας τις πιο ακριβείς έως τώρα προσεγγίσεις ταλάντωσης συνεχούς μέσου και της υδροδυναμικής θεωρίας των εδράνων. Η προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων είναι ένα ζήτημα ευρέως διερευνημένο από τις αρχές της δεκαετίας του ΄60 και ορισμένα στοιχεία της παρούσας διατριβής, πάνω στην αντιμετώπιση του θέματος αυτού, έχουν ως στόχο τη βελτίωση με την παρούσα ανάλυση της υπάρχουσας γνώσης, για τον τρόπο που έδρανο και άξονας αλληλεπιδρούν σε διακριτό χρόνο. Το θέμα των μη γραμμικών δυνάμεων του φιλμ λιπαντικού των εδράνων αντιμετωπίζεται σε αυτή τη διατριβή υπολογίζοντας κατευθείαν τις μη γραμμικες δυνάμεις που ασκούνται από το φιλμ στον άξονα. Η παραδοχή αυτή βοηθάει την προσομοίωση ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει σημείο ισσοροπίας λόγω περιδήνησης μεγάλου εύρους ή λειτουργείας σε κρίσιμη ταχύτητα. Επίσης, για λόγους γενικότητας και πληρότητας της προσομοίωσης, δεν γίνεται η κατά κόρον κατά τη βιβλιογραφία παραδοχή του εδράνου απείρου μήκους (infinitely long bearing) ή του εδράνου αμελητέου μήκους (infinitely short bearing). Αυτές οι δύο ακραίες υποθέσεις για το έδρανο επιτρέπουν αναλυτικές εκφράσεις για τη υδροδυναμική λίπανση αλλά δεν απαντώνται απαραίτητα στην πραγματικότητα. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιούνται πεπερασμένα έδρανα τα οποία επιλύονται με ήδη γνωστό και αξιόπιστο τρόπο, όπως πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. .........................