斜裂纹转子系统的动力学特性

【摘要】： 裂纹是转子系统中的典型故障。上世纪70年代,很多学者开始研究带横向直裂纹转子的动力学特性。实际情况中,裂纹的形式很多,斜裂纹就是传递扭矩的转子系统中常见的一种裂纹形式。本文对斜裂纹转子系统动力学特性进行了理论和实验的研究,并与直裂纹转子系统的动力学特性进行对比,提炼出可用于转子系统中斜裂纹检测的特征故障频率。 由于裂纹的存在主要影响了转子系统的刚度,因此本文首先对裂纹转子系统的刚度求解进行了探讨,发展了两种新的求刚度的方法:中性轴法和应力强度因子为零法。经过与传统法以及文献中试验刚度曲线的比较得出:应力强度因子为零法得到的刚度与试验刚度曲线最为接近,是一种较准确的刚度理论计算方法。用这种方法得到斜、直裂纹转子系统四个方向(两横向方向、扭转方向和轴向)刚度,并对其分析后得出:斜裂纹可以引起转子系统刚度的拉-弯耦合、弯-扭耦合和拉-扭耦合,而直裂纹却只能引起转子系统刚度的拉-弯耦合。 在建立了裂纹转子系统四个方向的运动方程后,用龙格-库塔数值方法对斜、直裂纹转子系统的动力学特性进行了求解。为了充分详细地讨论裂纹转子系统的动力学特性,求解在各种不同的条件下进行。对结果分析比较后得出很多有用的结论,最重要的是:在其他条件相同的情况下,斜裂纹转子系统的横向固有频率大于直裂纹转子系统;斜裂纹轴横向响应中包含的频率分量:转速频率与扭振激励频率的组合频率的幅值远远大于直裂纹轴相应频率的幅值;斜裂纹轴轴向响应中包含的扭振激励频率的幅值远远大于直裂纹轴相应频率的幅值。接着对斜裂纹转子系统的非线性特性进行了讨论,主要计算了转速、裂纹深度和偏心量对系统响应的影响,其中的一个结论是:在本文所取的参数条件下,斜裂纹转子系统横向响应进出入混沌运动的路径以准周期环面破裂和阵发性为主。 最后进行了无扭振激励和有扭振激励作用下,斜、直裂纹转子系统横向振动响应实验。实验结果验证了前面理论分析的两个重要结论,证明了横向响应中的组合频率可以用来区分转轴上的斜裂纹和直裂纹。