随着科学技术的进步和现代工业的发展,旋转机械在电力、能源、交通、国防和化工等领域中得到了广泛应用并发挥着越来越重要的作用,对旋转机械动力学特性的研究也逐渐得到了人们的重视。复杂旋转机械,时常由于各种线性或非线性因素激发起各种故障,进而会使机器发生严重事故,甚至是机毁人亡的重大事故。因此,研究转子系统故障机理和诊断技术有着十分重要的意义,目前国内外科技工作者在这些方面进行了大量的研究,并取得了丰硕成果。本课题以沈阳鼓风机集团有限公司与东北大学联合进行的“大型压缩机转子振动实验系统”项目为背景,以试验台轴系为研究对象。首先利用闻邦椿教授提出的面向产品广义质量的1+3综合设计法对轴系进行了设计和校核,确定了系统的一些动力参数；然后利用非线性有限元方法研究了考虑碰摩故障、裂纹故障以及裂纹—碰摩耦合故障的多盘悬臂转子—轴承系统的动力学特性,并利用小型转子试验台对转子—轴承系统的若干故障进行了模拟实验,对实验所测的带有各种故障的振动信号进行了详细的时频故障特征提取；最后对碰摩转子响应时间序列的混沌特性进行了研究。本文具体研究内容如下：(1)利用闻邦椿教授提出的面向产品广义质量的1+3综合设计法对试验台轴系进行了设计,首先把试验台轴系作为一个产品,进行产品功能优化设计,形成初步的轴系设计图纸,接着对设计的轴系进行了动态优化设计并对碰摩系统进行了智能优化设计,最后,对轴系进行了可视优化设计。(2)介绍了求解非线性问题的非线性有限元方法,利用非线性有限元方法研究了单点碰摩、局部弧形碰摩和整周碰摩情况下转子的动力学特性,并考察了碰摩间隙、碰摩刚度、碰摩位置和偏心量等参数对系统动力学特性的影响。研究发现单点碰摩主要是冲击碰撞,频率成分以高倍频成分为主,局部弧形碰摩则碰撞和摩擦都很严重,频率成分低频和高频并存,随着碰摩的弧形区域的加大,出现了更低的频率成分,整周碰摩则以摩擦为主,幅值谱图出现连续谱。(3)利用非线性有限元方法对转轴出现的裂纹故障进行了研究,并考察了裂纹深度和裂纹位置对系统动力学特性的影响。研究发现浅裂纹对系统动力学影响不大,当裂纹扩展到半径深度以后,对系统的动力学特性有很大影响,裂纹位置在远离叶轮时,主要以2X为主,裂纹位置逐渐靠近叶轮时,主要以5X为主；但裂纹激起的主要是规则的高倍频成分。(4)利用非线性有限元方法对裂纹—碰摩耦合故障进行了研究,研究表明当裂纹加深时,引发的碰摩更加严重,从轴心轨迹可以清楚看到碰摩引起的反进动。对于弧形碰摩和整周碰摩,幅值谱图上均有连续谱出现,其中5X比较明显。(5)利用小型转子试验台,对转子系统经常发生的转定子碰摩、转轴裂纹、裂纹—碰摩和油膜失稳—轴承碰摩耦合故障进行了实验研究,对测得的振动信号,利用三维谱振图、重排小波尺度图、幅值谱图、轴心轨迹进行了故障特征提取。对单点碰摩研究表明,频率成分主要以高倍频成分为主,出现的频率成分越高,表明碰摩越严重；局部弧形碰摩研究表明,在临界转速前发生的碰摩主要以低频成分为主,产生的频率系列越低,表明碰摩越严重,在临界转速附近发生的碰摩低频和高频成分并存,且当碰摩较轻时以高倍频为主,严重时出现不可公约的低频成分和有色噪声成分。(6)对裂纹—碰摩耦合故障的研究表明,碰摩较轻时以规则的X/2谐波系列为主,当碰摩加重时产生X/4谐波系列,再加重时幅值谱图产生连续谱。通过小波分解后,再利用重排小波尺度进行故障特征提取,可以有效的提取碰摩引起的冲击成分,研究结果表明发生轻微碰摩时,一周碰一次且碰摩程度一次轻一次重交替出现。(7)对发生油膜失稳—轴承碰摩故障进行了研究,结果表明油膜失稳前引发的碰摩主要以高倍频成分为主；油膜失稳后引发的轻微碰摩出现组合频率成分,但成分较少；油膜失稳后引发的严重碰摩时出现较多的组合频率；其中出现较低的组合频率时,暗示系统发生油膜振荡,此时的碰摩也是最严重的。(8)对碰摩转子响应时间序列的混沌特性进行了研究。首先利用代替数据法对实验和仿真数据进行非线性识别,接着计算其最大Lyapunov指数、关联维数、复杂度、近似熵和混沌度等非线性参数。结果表明,对碰摩仿真数据而言,碰摩严重时系统所具有的非线性参数,均较轻微碰摩时大。利用关联维数、复杂度和近似熵对碰摩实验数据进行分析,结果表明关联维数对碰摩程度敏感度最高,近似熵次之,复杂度再次之,最大Lyapunov指数最差。(9)通过对裂纹—碰摩实验数据在3个不同碰摩阶段的实验数据利用混沌指数进行分析表明,在14s～15s和17s～18s的碰摩具有相近的混沌指数,同属于轻微碰摩阶段；而在18s～19s的碰摩混沌指数最大,表明系统碰摩最严重。