裂紋故障轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)的實驗研究

白潔

摘? 要：為了研究滾動軸承系統(tǒng)裂紋轉(zhuǎn)子的非線性動力學(xué)行為，改建了轉(zhuǎn)子實驗臺。實驗結(jié)果表明：裂紋轉(zhuǎn)子在升速過程中，在1/3、1/2和1倍臨界轉(zhuǎn)速附近出現(xiàn)次諧波共振現(xiàn)象;不同轉(zhuǎn)速下裂紋轉(zhuǎn)子的非線性振動特性也不同;且彎曲振動幅值隨裂紋角以2π為周期成余弦規(guī)律變化。擺振實驗則說明擺振對裂紋非常敏感，裂紋較淺時倍頻成分明顯。因此，可用擺振作為裂紋早期診斷的依據(jù)之一。

關(guān)鍵詞：裂紋故障? 擺振? 轉(zhuǎn)子? 實驗

中圖分類號：TH113? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（b）-0102-05

Abstract： In order to study the nonlinear dynamic behavior of cracked rotor， a cracked rotor-rolling bearing system is established. The results show that： the crack will lead to the sub-harmonic resonance responses when the rotational speed is near the 1/3 or 1/2 of the critical speed. And the nonlinear vibration characteristics under different factors including rotational speed and crack angle of cracked rotor are discussed. If the additional eccentricity fixed， the vibration amplitude can fluctuate obviously when the crack angle is changed. The working frequency of bending vibration looks similar to the cosine whose period is. Furthermore， swing vibration is very sensitive to the crack even if shallow crack. So swing vibration test can be seen as one basis for crack early diagnosis.

Key Words： Crack; Swing; Rotor; Experiment

斷裂是一種危險的失效形式，轉(zhuǎn)軸作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要承力部件，如果發(fā)生斷裂，就可能發(fā)生災(zāi)難性的事故，造成生命和財產(chǎn)的巨大損失。調(diào)查表明，國內(nèi)外不斷發(fā)生的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械事故，主要就是各種軸斷機(jī)毀事件。

為了確保旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全可靠地運行及避免由裂紋故障而造成的更為嚴(yán)重的事故，對裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各種特性進(jìn)行深入研究是十分重要的。國內(nèi)外很多學(xué)者在這方面已經(jīng)做了大量的工作。

已有的研究多以單圓盤的Jeffcott轉(zhuǎn)子為研究對象，且多采用滑動軸承支撐方式，而后建立系統(tǒng)的運動微分方程，采用數(shù)值模擬方法求解裂紋轉(zhuǎn)子的非線性動力學(xué)特性，裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)行為的實驗研究還不是很充分。該文在以往的理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了滾動軸承支承座，建立了雙圓盤對稱結(jié)構(gòu)的裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行了滾動軸承支撐情況下裂紋轉(zhuǎn)子的升降速實驗，并討論了不同影響因素下裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動特征。

1? 實驗?zāi)Ｐ图捌溲b置

轉(zhuǎn)子實驗臺由電機(jī)、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)組成，實驗臺使用直流并勵驅(qū)動方案，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速范圍大，且運行平穩(wěn)，電機(jī)與轉(zhuǎn)軸間采用波紋管聯(lián)軸器[1]。手動調(diào)壓工作轉(zhuǎn)速0～10 000 r/min;可模擬單跨和多跨轉(zhuǎn)子運動。軸心徑向位移用電渦流傳感器測量，所用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為東華DH5920數(shù)據(jù)采集儀。軸上裂紋是由線切割機(jī)切割獲得，寬度為1 mm。裂紋轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)裝置見圖1，實驗臺其他參數(shù)見表1。

2? 實驗結(jié)果及分析

在實驗中采用了兩根軸，一根為淺裂紋軸，裂紋深度為2 mm（t/D=20%，t為裂紋深度，D為軸直徑），測得系統(tǒng)的固有頻率為53.33 Hz;另外一根為深裂紋軸，裂紋深度為5 mm（t/D=50%），測得系統(tǒng)的固有頻率為48.13 Hz。在實驗中，由于裂紋處會產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，振動響應(yīng)急劇上升;并且裂紋較深的轉(zhuǎn)軸在高速運轉(zhuǎn)時彎曲較嚴(yán)重，電機(jī)負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)子振動加劇。因此，為了安全起見，除升速實驗外，裂紋轉(zhuǎn)子只在1階臨界轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行實驗。分析中，系統(tǒng)采樣頻率1.28 kHz，時域點數(shù)4 096。

2.1 裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的升速實驗

由于裂紋故障的影響，設(shè)備的運行環(huán)境比較惡劣，升速實驗采用淺裂紋軸（t/D=20%）。圖2分別為軸心測點處水平方向的升速過程時域波形圖、瀑布圖和升降速全過程的瀑布圖。從三維瀑布圖中可以很明顯地看出1X、2X、3X倍頻成分。即在升速過程中，分?jǐn)?shù)次共振是轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋的明顯特征，特別是2次諧波和3次諧波分量在分別以1/2和1/3臨界轉(zhuǎn)速為中心的很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都很顯著，裂紋的存在也使1X諧波振動分量增大，并且隨著裂紋嚴(yán)重程度的加重而愈加明顯。同樣的，裂紋轉(zhuǎn)子的降速過程也存在比較明顯的分?jǐn)?shù)次共振現(xiàn)象。

對比以往的研究結(jié)論[2-5]，發(fā)現(xiàn)無論是剛性支撐、滾動軸承支撐或滑動軸承支撐，當(dāng)轉(zhuǎn)速比Ω=1/n時， nX分量會達(dá)到最大值，由此可判斷產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波共振是裂紋轉(zhuǎn)子的固有特征。

2.2 轉(zhuǎn)速對裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響

轉(zhuǎn)速實驗采用深裂紋軸（t/D=50%）。圖3為只改變轉(zhuǎn)速情況下，得到的一組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心時、頻信號及軸心軌跡信號。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，即轉(zhuǎn)頻為5.63 Hz時，雖然轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有裂紋故障，但對系統(tǒng)的振動響應(yīng)影響很小，時域波形近似正弦波，頻率仍以1X為主，同時伴隨有非常微弱的2X成分，軸心軌跡為近似橢圓。

隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動響應(yīng)中出現(xiàn)了2X、3X和4X等高頻成分。當(dāng)轉(zhuǎn)頻為15.63 Hz時，從頻譜圖中能觀察到1/2、3/2、5/2和3倍頻，軸心軌跡[6]為兩個交叉的圓環(huán)。此時的轉(zhuǎn)速約為一階臨界轉(zhuǎn)速的1/3，因此可以判斷此時發(fā)生了次諧波共振。

轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，響應(yīng)中的2X幅值也不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)頻為22.63 Hz時，軸心軌跡從光滑圓環(huán)變?yōu)轭惾切?，頻譜圖中2X分量明顯增加，同時3X、4X成分也可以觀測到。

轉(zhuǎn)頻為31.57 Hz時，頻譜圖中出現(xiàn)了明顯的3/2倍頻成分，且振動的幅值和2X相當(dāng)，同時1/2、5/2和3倍頻也能觀測得到。此時的轉(zhuǎn)速約為一階臨界轉(zhuǎn)速的2/3，因此可以判斷此時也發(fā)生了次諧波共振。

2.3 裂紋角對裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響

裂紋角[7]對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響實驗采用深裂紋軸（t/D=50%）。轉(zhuǎn)速為600 r/min，偏心距為30 mm。圖4為偏心質(zhì)量與裂紋夾角為0°和180°時，轉(zhuǎn)軸處的水平振動時域信號。當(dāng)0

為了進(jìn)一步探討裂紋角對彎曲振動的影響規(guī)律，以固定的偏心質(zhì)量5 g分別加在裂紋角為0°、120°、180°、300°的轉(zhuǎn)子表面，其他實驗條件不變。圖5為裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隨裂紋角變化的響應(yīng)。當(dāng)0

3? 結(jié)論

該文搭建滾動軸承支撐的裂紋轉(zhuǎn)子實驗臺，模擬了裂紋轉(zhuǎn)子的升速過程，并對不同轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子的彎曲振動情況進(jìn)行了測試，同時還探討了不同裂紋角對彎曲振動的影響規(guī)律。得到如下結(jié)論。

（1）裂紋轉(zhuǎn)子在升速過程，會在1/3 fc、1/2 fc和fc（臨界轉(zhuǎn)速）時出現(xiàn)共振峰值，反應(yīng)到瀑布圖中為存在明顯的1X、2X、3X分量，對比以往的研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)諧波共振時裂紋轉(zhuǎn)子的固有特征。

（2）不同轉(zhuǎn)速下，裂紋轉(zhuǎn)子的彎曲振動特征也不同，特別是轉(zhuǎn)速為1/3 fc和2/3 fc，振動響應(yīng)中會出現(xiàn)明顯的nX/2的分頻成分，軸心軌跡也是在類橢圓、雙拓?fù)鋱A環(huán)和類三角形之間變化。

（3）彎曲振動幅值隨裂紋角以2π為周期成余弦規(guī)律變化。

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