转子偏心、转子不平衡对中等轴系故障是机组异常振动的主要诱因之一,直接影响到机组的安全稳定经济运行。针对转子质量偏心和转子不平衡等故障耦合现象,基于转子非线性动力学、EMD信号处理和多尺度数学形态学等方法,通过数值模拟和试验分析,开展轴系多故障耦合机制下的水电机组转子运动机理研究,不仅可以揭示转子在不同条件下的非线性动力学特性,明确转子异常振动影响因子主次顺序,同时也为有助于剖析实测振动信号所蕴含的内在故障诱因,提取不同类型振动信号的特征信息,这不仅为水电机组优化设计、技术改造等提供有力的理论依据,也为水电机组故障诊断技术提供了新技术,对该问题的研究具有重要的学术价值和实用意义。本文具体研究了以下内容：1.基于转子非线性动力学相关理论,参照水电机组运行特性和结构特征进行模型简化,建立了水电机组多故障耦合(转子质量偏心、两轴平行不对中、两轴夹角不对中)下转子非线性动力学模型,进而探讨了机组转速、两轴平行不对中量和两轴角度不对中量等参数对水电机组运行特性的影响,分析了不同参数下水电机组的动态特性,重点研究了机组转子非线性动力学特性。研究表明：通过分析转子运动分岔图、轴心轨迹、庞加莱截面图和频谱图,在多故障耦合机制下转子最终运行状态呈现出三种典型的非线性行为：即平稳周期运动、周期性碰摩运动和复杂的混沌运行现象。2.进行多故障耦合机制下的水电机组转子振动试验,并针对实测振动信号,基于小波变换原理对不同转速下的试验数据进行了简要分析,验证了在多故障耦合机制下,水电机组转子在不同转速时其运动规律与仿真分析结果一致。3.利用EMD方法可依据信号本身固有特性进行分解的特征,对不同转速下的水电机组振动测试信号进行分析。研究表明：基于EMD方法可以得到机组振动信号的IMF分量,能量占据主导地位的IMF分量与机组运行状态密切相关,该IMF分量直接由转子系统故障源诱发,因而采用EMD方法能够准确地捕捉到机组振动信号中所蕴含的真实物理意义,准确识别机组运行状态。同时,基于IMF分量能量比进行信号重构,重构信号能够反应机组运行状态信息,能够表征机组主要振动特性。与仿真信号相比较,两者波形基本一致,主要振源频率相似。4.针对多故障耦合机制下,基于正交试验法对转子运行影响因子(质量偏心、两轴平行不对中和两种夹角不对中量)的主次顺序进行了分析。研究表明：在多故障耦合机制下,偏心所造成的不平衡力对转子动力特性的影响最大,且偏心越大,不平衡力越大,转子振动越剧烈；在低速运行时,由夹角不对中所产生的不对中力,对转子运行特性的影响权重仅次于质量偏心,夹角不对中越大,振动越剧烈；在较高速度运行时,由两轴平行不对中量所产生的不对中力,对转子的影响仅次于质量偏心;在较高速度运行时,转子不平衡力和转子不对中力越大,越容易诱发碰摩现象,且碰摩现象对转速较敏感,在特殊转速下,转子易进入混沌运行状态。5.运用多尺度数学形态谱和形态谱熵等相关理论,对转速改变时水电机组多故障耦合振动实测信号和平行不对中量改变时的水电机组多故障耦合振动仿真信号进行分析处理。研究表明：基于多尺度数学形态谱和形态谱熵,可将振动信号识别为平稳周期运动、周期性碰摩运动和混沌运动三种类型,采用该方法能够快捷、准确地获得水电机组多故障耦合振动信号特性,完成对振动类型的识别,这不仅为振动信号处理提供了新的方法,也为水电机组故障诊断奠定了基础。