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根治機械振動失穩(wěn)頑疾

 

    為解決機械振動失穩(wěn)難題，陳予恕院士首次提出了振動系統(tǒng)周期解的分岔理論方法，揭示了解的拓撲結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)參數(shù)間的聯(lián)系，為發(fā)展非線性振動學(xué)科做出貢獻，被稱為C-L(陳-Langford)方法；為治理大型旋轉(zhuǎn)機械頻發(fā)的振動故障，突破了傳統(tǒng)線性理論故障建模和機理分析方法，采用非線性分析技術(shù)，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(xué)依據(jù)和對策，累獲經(jīng)濟效益三億元；對國產(chǎn)4臺20萬千瓦勵磁機支撐系統(tǒng)進行非線性設(shè)計改造，根治了振動失穩(wěn)頑疾；研制出國內(nèi)最大的30平方米和32平方米非線性共振篩，同比節(jié)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(fā)展了非線性動力學(xué)理論，并成功應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)機械和振動機械的設(shè)計和故障治理工程。
  

       陳予恕教授領(lǐng)導(dǎo)并主持了多個國家及省部級基金項目。其中“大型旋轉(zhuǎn)機械非線性動力學(xué)問題”是目前我國一般力學(xué)學(xué)科唯一一項國家自然科學(xué)基金重大項目,在非線性動力學(xué)理論方面取得了一系列國際公認的高水平成果，并成功應(yīng)用于工程實際，取得顯著的經(jīng)濟效益，開創(chuàng)了具有理論與工程相結(jié)合特色的工程非線性動力學(xué)新學(xué)科。

    非線性系統(tǒng)動力學(xué)理論項目屬基礎(chǔ)力學(xué)領(lǐng)域，涉及非線性系統(tǒng)的振動、穩(wěn)定性、分岔、混沌及控制。在國家自然科學(xué)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(tǒng)地研究了復(fù)雜非線性系統(tǒng)的動力學(xué)、控制及其在大型旋轉(zhuǎn)機械的非線性動力學(xué)問題方面的應(yīng)用，成果突破了傳統(tǒng)非線性振動理論發(fā)展的瓶頸，促成并發(fā)展了新的學(xué)科方向———工程非線性動力學(xué)。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(lǐng)先水平,非線性動力學(xué)理論的工程應(yīng)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(jié)合，提出了能揭示非線性振動系統(tǒng)周期分岔解與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間拓撲關(guān)系的方法（Chen-Langford方法），成功統(tǒng)一了長期困擾非線性振動學(xué)術(shù)界的有關(guān)非線性參數(shù)激勵系統(tǒng)似乎矛盾的結(jié)果，也為進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、參數(shù)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(yīng)用非線性動力學(xué)問題，從而形成了分析非線性系統(tǒng)周期解高余維分岔的方法體系。提出了計算非線性系統(tǒng)正規(guī)形的兩種新方法，為洞察重大工程問題的非線性動力學(xué)機制提供了新的簡化手段。含間隙非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的周期+1、混沌吸引子與其內(nèi)部的“混沌———鞍”碰撞而導(dǎo)致混沌激變、耦合模態(tài)的分岔激變等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，豐富了非線性動力學(xué)的知識。為了驗證以上非線性動力學(xué)理論的正確性，對轉(zhuǎn)子內(nèi)共振故障進行了建模、機理分析和現(xiàn)場應(yīng)用，在工程實踐中取得了很好的經(jīng)濟效益。

    大型高速旋轉(zhuǎn)機械是現(xiàn)代工業(yè)社會的重要裝備，廣泛應(yīng)用于電力、航空、機械、化工、紡織等領(lǐng)域。設(shè)備故障往往會引起突發(fā)性、災(zāi)難性后果，如美國、日本、前蘇聯(lián)及我國一些電廠和電站的多個大型機組均發(fā)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(xiàn)為低頻振動失穩(wěn)，與機組的各種非線性因素密切相關(guān)，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(xué)學(xué)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(chǎn)單位承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金九五重大項目“大型旋轉(zhuǎn)機械非線性動力學(xué)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(nèi)容)和多項國家、省部級基金、生產(chǎn)企業(yè)合作項目。

    其成果包括：1.提出大型旋轉(zhuǎn)機械重大振動故障非線性治理五項新技術(shù)。低頻振動失穩(wěn)造成災(zāi)難性事故時有發(fā)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(tǒng)模型(碰摩故障)，1/2亞諧共振分岔模型(受迫油膜振蕩)，內(nèi)共振分岔模型(突發(fā)性不穩(wěn)定振動)，參數(shù)共振模型(裂紋類型故障)，非線性不平衡質(zhì)量模型(轉(zhuǎn)子外伸端不平衡)等。為了對故障機理進行非線性分析，除應(yīng)用獲得國家自然科學(xué)二等獎的理論成果外，同時對微小間隙流體力動力學(xué)模型進行了精確化，發(fā)展了多自由度大系統(tǒng)快速高效的數(shù)值算法和工程降維技術(shù)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(tǒng)和運行參數(shù)之間的聯(lián)系規(guī)律，明確了故障判別特征。據(jù)此，提出了五項重大振動故障非線性治理新技術(shù)，在天津、黑龍江等七省市十多個電廠的近300萬千瓦發(fā)電機組的重大振動故障治理中應(yīng)用后，大大減少了非正常停機事故次數(shù)，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(jīng)濟效益。

    2.機械結(jié)構(gòu)中的非線性動力學(xué)設(shè)計技術(shù)。旋轉(zhuǎn)機械必須對轉(zhuǎn)子、支撐、基礎(chǔ)大系統(tǒng)進行耦合動力學(xué)設(shè)計才能避免內(nèi)共振引發(fā)的突發(fā)性振動超標(biāo)故障，該技術(shù)應(yīng)用于20萬千瓦機組勵磁機支撐系統(tǒng)(4臺)的重新設(shè)計以后，至今已3—6年未發(fā)生同類故障。對共振機械，首次提出了非線性設(shè)計和調(diào)整技術(shù)(三優(yōu)設(shè)計技術(shù))，依之設(shè)計的30和32平方米共振篩，性能優(yōu)于國外引進的同類產(chǎn)品，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。

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

    參加本項研究工作的有：陳予恕教授（天津大學(xué)）、黃文虎院士（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）、聞邦椿院士（東北大學(xué)）、朱均教授（西安交通大學(xué)）、武際可教授（北京大學(xué)）、薛禹勝院士（南京自動化研究院）、張文教授（復(fù)旦大學(xué)）、曹樹謙教授（天津大學(xué)）、呂和祥教授（大連理工大學(xué)）、丁千教授（天津大學(xué)）、劉樹英教授（東北大學(xué)）、夏松波教授（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）、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(xué)）等。