根治机械振动失稳顽疾

 

    为解决机械振动失稳难题，陈予恕院士首次提出了振动系统周期解的分岔理论方法，揭示了解的拓扑结构与系统参数间的联系，为发展非线性振动学科做出贡献，被称为C-L(陈-Langford)方法；为治理大型旋转机械频发的振动故障，突破了传统线性理论故障建模和机理分析方法，采用非线性分析技术，查明故障机理及原因，为治愈七省市18台大型火电机组的重大振动故障提供科学依据和对策，累获经济效益三亿元；对国产4台20万千瓦励磁机支撑系统进行非线性设计改造，根治了振动失稳顽疾；研制出国内最大的30平方米和32平方米非线性共振筛，同比节能50%、筛分率高出20%。共主持完成了国家重要科技项目20余项，发展了非线性动力学理论，并成功应用于大型旋转机械和振动机械的设计和故障治理工程。
  

       陈予恕教授领导并主持了多个国家及省部级基金项目。其中“大型旋转机械非线性动力学问题”是目前我国一般力学学科唯一一项国家自然科学基金重大项目,在非线性动力学理论方面取得了一系列国际公认的高水平成果，并成功应用于工程实际，取得显著的经济效益，开创了具有理论与工程相结合特色的工程非线性动力学新学科。

    非线性系统动力学理论项目属基础力学领域，涉及非线性系统的振动、稳定性、分岔、混沌及控制。在国家自然科学基金“

    九五”重大项目和国家“973”子课题等29项基金资助下，系统地研究了复杂非线性系统的动力学、控制及其在大型旋转机械的非线性动力学问题方面的应用，成果突破了传统非线性振动理论发展的瓶颈，促成并发展了新的学科方向———工程非线性动力学。整体上达到国际先进水平，其中部分理论成果（如CL方法）达到了国际领先水平,非线性动力学理论的工程应用方面处于国际前列。

    其项目成果将Lyapunov-Schmidt方法与奇异性理论结合，提出了能揭示非线性振动系统周期分岔解与系统结构参数之间拓扑关系的方法（Chen-Langford方法），成功统一了长期困扰非线性振动学术界的有关非线性参数激励系统似乎矛盾的结果，也为进行结构优化设计、参数识别和分岔控制提供了新的途径；对高余维分岔的普适分类、高余维非对称分岔的普适开折、约束分岔的分类等问题的研究，使上述理论方法能分析更普遍的应用非线性动力学问题，从而形成了分析非线性系统周期解高余维分岔的方法体系。提出了计算非线性系统正规形的两种新方法，为洞察重大工程问题的非线性动力学机制提供了新的简化手段。含间隙非线性转子系统的周期+1、混沌吸引子与其内部的“混沌———鞍”碰撞而导致混沌激变、耦合模态的分岔激变等现象的发现，丰富了非线性动力学的知识。为了验证以上非线性动力学理论的正确性，对转子内共振故障进行了建模、机理分析和现场应用，在工程实践中取得了很好的经济效益。

    大型高速旋转机械是现代工业社会的重要装备，广泛应用于电力、航空、机械、化工、纺织等领域。设备故障往往会引起突发性、灾难性后果，如美国、日本、前苏联及我国一些电厂和电站的多个大型机组均发生过机毁人亡的重大振动事故。分析表明，这些重大振动故障和事故表现为低频振动失稳，与机组的各种非线性因素密切相关，迫切要求用非线性振动理论进行分析并找到治理方法。

    陈予恕院士用非线性振动理论进行分析的成功，是我国第一个机械和动力学学科交叉的重大科技成果。该成果来自于10个著名高校和科研生产单位承担的国家自然科学基金九五重大项目“大型旋转机械非线性动力学问题”(总金额500万元，共含五个子课题，本获奖项目不包括第二子课题内容)和多项国家、省部级基金、生产企业合作项目。

    其成果包括：1.提出大型旋转机械重大振动故障非线性治理五项新技术。低频振动失稳造成灾难性事故时有发生，有些故障久治不愈，为研究治理方案建立了故障非线性模型：非光滑系统模型(碰摩故障)，1/2亚谐共振分岔模型(受迫油膜振荡)，内共振分岔模型(突发性不稳定振动)，参数共振模型(裂纹类型故障)，非线性不平衡质量模型(转子外伸端不平衡)等。为了对故障机理进行非线性分析，除应用获得国家自然科学二等奖的理论成果外，同时对微小间隙流体力动力学模型进行了精确化，发展了多自由度大系统快速高效的数值算法和工程降维技术等。通过对各类故障的机理分析和实验验证，弄清了重大振动故障与系统和运行参数之间的联系规律，明确了故障判别特征。据此，提出了五项重大振动故障非线性治理新技术，在天津、黑龙江等七省市十多个电厂的近300万千瓦发电机组的重大振动故障治理中应用后，大大减少了非正常停机事故次数，避免了一起60万千瓦超临界机组机毁人亡的重大事故，共取得三亿多元的经济效益。

    2.机械结构中的非线性动力学设计技术。旋转机械必须对转子、支撑、基础大系统进行耦合动力学设计才能避免内共振引发的突发性振动超标故障，该技术应用于20万千瓦机组励磁机支撑系统(4台)的重新设计以后，至今已3—6年未发生同类故障。对共振机械，首次提出了非线性设计和调整技术(三优设计技术)，依之设计的30和32平方米共振筛，性能优于国外引进的同类产品，产生了显著的经济效益。

    以上这些技术，将我国振动故障治理和设计技术从线性理论提高到非线性理论，从治标提高到标本兼治。该项成果可推广至各类大型高速旋转机械、各类振动机械的故障治理和非线性动力学设计中。

    参加本项研究工作的有：陈予恕教授（天津大学）、黄文虎院士（哈尔滨工业大学）、闻邦椿院士（东北大学）、朱均教授（西安交通大学）、武际可教授（北京大学）、薛禹胜院士（南京自动化研究院）、张文教授（复旦大学）、曹树谦教授（天津大学）、吕和祥教授（大连理工大学）、丁千教授（天津大学）、刘树英教授（东北大学）、夏松波教授（哈尔滨工业大学）、金宗武高工（天津电力公司）、石瑞兴总工（天津电力公司）、唐云教授（清华大学）等。