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      根治機械振動失穩頑疾

      日期:2009-05-06 | 來源:
            為解決機械振動失穩難題,陳予恕院士首次提出了振動系統周期解的分岔理論方法,揭示了解的拓撲結構與系統參數間的聯系,為發展非線性振動學科做出貢獻,被稱為C-L(陳-Lan..

       

          為解決機械振動失穩難題,陳予恕院士首次提出了振動系統周期解的分岔理論方法,揭示了解的拓撲結構與系統參數間的聯系,為發展非線性振動學科做出貢獻,被稱為C-L(陳-Langford)方法;為治理大型旋轉機械頻發的振動故障,突破了傳統線性理論故障建模和機理分析方法,采用非線性分析技術,查明故障機理及原因,為治愈七省市18臺大型火電機組的重大振動故障提供科學依據和對策,累獲經濟效益三億元;對國產4臺20萬千瓦勵磁機支撐系統進行非線性設計改造,根治了振動失穩頑疾;研制出國內最大的30平方米和32平方米非線性共振篩,同比節能50%、篩分率高出20%。共主持完成了國家重要科技項目20余項,發展了非線性動力學理論,并成功應用于大型旋轉機械和振動機械的設計和故障治理工程。
        

             陳予恕教授領導并主持了多個國家及省部級基金項目。其中“大型旋轉機械非線性動力學問題”是目前我國一般力學學科唯一一項國家自然科學基金重大項目,在非線性動力學理論方面取得了一系列國際公認的高水平成果,并成功應用于工程實際,取得顯著的經濟效益,開創了具有理論與工程相結合特色的工程非線性動力學新學科。

          非線性系統動力學理論項目屬基礎力學領域,涉及非線性系統的振動、穩定性、分岔、混沌及控制。在國家自然科學基金“

          九五”重大項目和國家“973”子課題等29項基金資助下,系統地研究了復雜非線性系統的動力學、控制及其在大型旋轉機械的非線性動力學問題方面的應用,成果突破了傳統非線性振動理論發展的瓶頸,促成并發展了新的學科方向———工程非線性動力學。整體上達到國際先進水平,其中部分理論成果(如CL方法)達到了國際領先水平,非線性動力學理論的工程應用方面處于國際前列。

          其項目成果將Lyapunov-Schmidt方法與奇異性理論結合,提出了能揭示非線性振動系統周期分岔解與系統結構參數之間拓撲關系的方法(Chen-Langford方法),成功統一了長期困擾非線性振動學術界的有關非線性參數激勵系統似乎矛盾的結果,也為進行結構優化設計、參數識別和分岔控制提供了新的途徑;對高余維分岔的普適分類、高余維非對稱分岔的普適開折、約束分岔的分類等問題的研究,使上述理論方法能分析更普遍的應用非線性動力學問題,從而形成了分析非線性系統周期解高余維分岔的方法體系。提出了計算非線性系統正規形的兩種新方法,為洞察重大工程問題的非線性動力學機制提供了新的簡化手段。含間隙非線性轉子系統的周期+1、混沌吸引子與其內部的“混沌———鞍”碰撞而導致混沌激變、耦合模態的分岔激變等現象的發現,豐富了非線性動力學的知識。為了驗證以上非線性動力學理論的正確性,對轉子內共振故障進行了建模、機理分析和現場應用,在工程實踐中取得了很好的經濟效益。

          大型高速旋轉機械是現代工業社會的重要裝備,廣泛應用于電力、航空、機械、化工、紡織等領域。設備故障往往會引起突發性、災難性后果,如美國、日本、前蘇聯及我國一些電廠和電站的多個大型機組均發生過機毀人亡的重大振動事故。分析表明,這些重大振動故障和事故表現為低頻振動失穩,與機組的各種非線性因素密切相關,迫切要求用非線性振動理論進行分析并找到治理方法。

          陳予恕院士用非線性振動理論進行分析的成功,是我國第一個機械和動力學學科交叉的重大科技成果。該成果來自于10個著名高校和科研生產單位承擔的國家自然科學基金九五重大項目“大型旋轉機械非線性動力學問題”(總金額500萬元,共含五個子課題,本獲獎項目不包括第二子課題內容)和多項國家、省部級基金、生產企業合作項目。

          其成果包括:1.提出大型旋轉機械重大振動故障非線性治理五項新技術。低頻振動失穩造成災難性事故時有發生,有些故障久治不愈,為研究治理方案建立了故障非線性模型:非光滑系統模型(碰摩故障),1/2亞諧共振分岔模型(受迫油膜振蕩),內共振分岔模型(突發性不穩定振動),參數共振模型(裂紋類型故障),非線性不平衡質量模型(轉子外伸端不平衡)等。為了對故障機理進行非線性分析,除應用獲得國家自然科學二等獎的理論成果外,同時對微小間隙流體力動力學模型進行了精確化,發展了多自由度大系統快速高效的數值算法和工程降維技術等。通過對各類故障的機理分析和實驗驗證,弄清了重大振動故障與系統和運行參數之間的聯系規律,明確了故障判別特征。據此,提出了五項重大振動故障非線性治理新技術,在天津、黑龍江等七省市十多個電廠的近300萬千瓦發電機組的重大振動故障治理中應用后,大大減少了非正常停機事故次數,避免了一起60萬千瓦超臨界機組機毀人亡的重大事故,共取得三億多元的經濟效益。

          2.機械結構中的非線性動力學設計技術。旋轉機械必須對轉子、支撐、基礎大系統進行耦合動力學設計才能避免內共振引發的突發性振動超標故障,該技術應用于20萬千瓦機組勵磁機支撐系統(4臺)的重新設計以后,至今已3—6年未發生同類故障。對共振機械,首次提出了非線性設計和調整技術(三優設計技術),依之設計的30和32平方米共振篩,性能優于國外引進的同類產品,產生了顯著的經濟效益。

          以上這些技術,將我國振動故障治理和設計技術從線性理論提高到非線性理論,從治標提高到標本兼治。該項成果可推廣至各類大型高速旋轉機械、各類振動機械的故障治理和非線性動力學設計中。

          參加本項研究工作的有:陳予恕教授(天津大學)、黃文虎院士(哈爾濱工業大學)、聞邦椿院士(東北大學)、朱均教授(西安交通大學)、武際可教授(北京大學)、薛禹勝院士(南京自動化研究院)、張文教授(復旦大學)、曹樹謙教授(天津大學)、呂和祥教授(大連理工大學)、丁千教授(天津大學)、劉樹英教授(東北大學)、夏松波教授(哈爾濱工業大學)、金宗武高工(天津電力公司)、石瑞興總工(天津電力公司)、唐云教授(清華大學)等。


      責任編輯:商永剛
      本文關鍵詞:機械振動
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