旋转机械转轴裂纹损伤故障研究进展

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Progress on Research of Crack Faults in Shaft of Rotating M achineryLUO Yue-gang，WU Bin，HU Hong-ying，FENG Chang-jian(College of Electromechanical and Information Engineering，DalianNationalities University，Dalian Liaoning 1 16605，China)Abstract：The recent main achievement and development about the study on fault diagnosis ofrotating machinery with crack faults in shaft are summarized and discussed.First，the researchstatus about the research methods，the dynamics model of crak stiffness，nonlinear dynamicscharacteristics of rotating machinery with crack faults are addressed.Then the problems to besolved in research of crack faults in shaft of rotating machinery are pointed out，and the researchtrends of fault diagnosis in rotating machinery are prospected。

Key words：rotating machinery ；shaft；crack damage；coupling faults；nonlinear characteristics转轴裂纹损伤是旋转机械转子系统常见的故障之-，其产生的原因主要是 由于材料本身的缺陷、加工误差、安装失误、意外冲击或疲劳破损等 。在机组运行过程中，若激振力频率和轴系扭振 自振频率相近或重合(如在超临界转速或超超临界转速时)，就会诱发共振，进而造成原有裂纹进-步加深或者因振动应力过大使得轴系上产生更多的裂纹损伤，最后甚至会引起轴的断裂。

转轴裂纹损伤故障是旋转机械后果最严重而又最难及时发现的故障，对旋转机械的安全运行危害性非常大，根据 Muszynska 统计，在上世纪 70年代，北美地区曾发生了近30起由于转轴裂纹引起的机械设备事故，造成了巨大的经济损失。因此研究裂纹损伤转子 -轴承系统的非线性动力学特性和故障机理，提高旋转机械的可靠性与稳定性，可以为旋转机械的综合设计与控制、故障诊断与预防等提供坚实的理论依据和技术保障，具有十分重要的科学意义和实用价值。

1 转轴裂纹损伤故障研究现状1.1 裂纹损伤转子系统非线性特性分析方法研究早期分析转子系统非线性特性的方法主要是传统的谐波平衡法、小参数法、多尺度法、平均法和等价线性化法等近似解析方法，这些方法对二收稿日期：2012-06-20；最后修回日期 ：2012-10-14基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC12010101 1)；辽宁省 自然科学基金资助项目(201202041)。

作者简介：罗跃纲(1964-)，男，辽宁锦州人，教授，博士后，优秀学术带头人，主要从事非线性振动、转子动力学、智能故障诊断及振动利用工程研究。

30 大 连 民 族 学 院 学 报 第15卷自由度以上的系统分析起来已经非常复杂，且无法分析系统的混沌响应。对超过4个 自由度以上的高自由度系统，除了数值积分法以外，还没有更好的分析方法。鉴于带有裂纹损伤的转子系统具有高自由度和强非线性的特性，数值计算方法是目前分析系统动态响应唯-有效的研究方法。对用微分方程控制的动力系统，求解其稳态解的数值方法主要有参数延拓法 、增量谐波平衡法以及延拓法与打靶法、谐波平衡法等的复合算法。求自治系统的平衡点可以归结为-个非线性代数方程组的求解问题，在非奇异点可以用牛顿迭代法求解。为了提高算率，人们先后提出了许多求解非线性系统周期解的方法～稳态周期解求解问题转化为常微分方程两点边值问题求解的思想由来已久，1957年 Urabe就给出了-种计算步骤 。

凌复华 较为全面地发展和论述了打靶法，并将打靶法用于求解分段线性非线性系统。对周期非自治系统，打靶法不仅可以计算出稳定周期解，还能得到系统的不稳定周期解。对自治系统将周期看作未知量，对打靶法稍进行改进即可与非 自治系统-样求解。关于延拓法，1983年 Kubicek和Marek出版了-本专著 ，先用延拓法求得周期解的-个近似，再用打靶法提高精度，则形成打靶延拓法。Doorenb 详细讨论了打靶法和延拓法的理论基窗实际应用问题。

1.2 裂纹刚度模型研究裂纹刚度模型作为裂纹问题研究的重点和难点之-，至今也没有-个公认的力学模型。为了识别裂纹位置和大小，近年来众多研究者提出了各种不同的裂纹刚度模型，归纳起来，可以分为两类 ：开裂纹模型与开闭裂纹模型 -裂纹模型假设转子作同步运动时，转轴裂纹的开闭形状变化很小，可以认为裂纹是唱的-闭裂纹模型(呼吸裂纹模型)认为转轴裂纹在转子运转过程中是时开时闭的，其中较有名的开闭模型有：方波模型、余弦波模型和综合模型。方波模型由Gasch 9 J首先提出，认为裂纹开闭是在瞬时完成的，裂纹或者全开或者全闭，没有半开半闭的情况，裂纹开闭规律可用阶跃函数表示。Mayes等 认为裂纹开闭应该有-个半开半闭的过程，他认为具有良好连续性的余弦函数能更好地描述裂纹的开闭规律。Nelson1 用变分法建立了-个比较完善的裂纹轴单元的有限元模型，用裂纹所在位置的瞬时曲率决定裂纹的开闭规律，为多自由度的裂纹转子系统动力学分析奠定了基矗孟光 在 Gasch模型的基础上，考虑了轴的位移和转轴涡动的影响，提出-种新的裂纹开闭模型，它适用于重力占优、非重力占优、协调与非协调响应等多种情形。

高建民等 列综合了方波模型和余弦波模型的优点，提出了-个综合模型；陈永国等 比较了3个开闭裂纹模型的特点，并通过例子论述了 3个模型的适用范围，他们认为当转子裂纹较小时，方波模型既简单，又比较接近实际；当转子裂纹较大时，余弦波模型既简单，又比较接近实际。

1.3 裂纹损伤转子系统的复杂动力学特性研究转轴出现裂纹时，转子系统的动力学特性会发生变化，众多研究者从理论与实验两方面，用不同方法，使用不同的裂纹模型研究了不同裂纹转子系统的动力学行为。Henry等 采用带有不对称刚度的单盘转子模型，在旋转坐标系中建立运动方程。研究发现周期性外激励和裂纹故障的相互作用能引起 1/2、1/3、1/5等次临界共振现象，其中1/2次临界共振最显著。Kevin等 分别采用唱、常闭和呼吸裂纹模型研究了裂纹转子的振动特性和稳定性问题。印度理工学院的 Darpe课题组近年来在转子系统裂纹故障的非线性问题方面做了许多研究工作，Darpe等 用 3个裂纹模型：呼吸裂纹模型、开关裂纹模型和开裂纹模型研究了-个裂纹 Jefcot转子在通过其临界转速和发生次谐波共振时的瞬态响应和呼吸行为，研究发现呼吸裂纹能更好地模拟转轴裂纹的呼吸行为，而且裂纹的呼吸行为受到不平衡方向角、加速度率、阻尼、裂纹深度的影响，同时裂纹的呼吸行为在转子加速过程和降速过程中也是不同的。在此基础上，Darpe等 对-个带有横向表面裂纹Jefeot转子在-轴向激励下的横向与纵向的耦合动力学响应进行了分析研究，研究发现裂纹引起的转子横向、纵向、扭转独有的耦合频率特性，为裂纹故障的诊断提供了新的思路。贺尔铭等2 运用分岔理论和Poincar6映射分析了含裂纹转子的非协调响应，发现了次谐波、周期运动的突跳现象以及拟周期运动，通过分析认为：二次谐波的产生对应于倍周期分岔，运动的突跳现象对应于鞍结分岔，拟周期运动对应于 Naimark-Sacker分岔。郑龙席等 对单盘裂纹 Jefcot转子进行了非线性响应分析和实验研究，数值仿真研究表明裂纹深度不同，转子系统响应具有不同的特点；实验结果发现，当轴上出现裂纹时，盘的横向振动第 1期 罗跃纲 ，等：旋转机械转轴裂纹损伤故障研究进展 31响应和摆振响应中都会出现高次谐波分量。国内外还有许多专家学者对裂纹转子系统的稳定性、考虑裂纹的转子系统的分岔混沌等方面作了比较详细的研究，详见