裂紋故障對(duì)盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力重組的影響研究*

王南山,李 源,劉 恒,劉 意

(1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710049;3.東方電氣風(fēng)電股份有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)

0 引 言

盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一,廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船動(dòng)力、能源發(fā)電等領(lǐng)域的重大動(dòng)力裝備中。在高溫、高速、高壓等惡劣工況下工作,此類(lèi)復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常會(huì)因材料缺陷、應(yīng)力集中、疲勞損傷等原因出現(xiàn)裂紋乃至斷裂現(xiàn)象,其對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)及裝備的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。

精確的裂紋建模及對(duì)含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力分析是準(zhǔn)確掌握此類(lèi)組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的重要基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)于裂紋轉(zhuǎn)子的相關(guān)研究多以Jeffcott或類(lèi)Jeffcott的一般整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子模型[1-2]為基礎(chǔ),進(jìn)而探究開(kāi)裂紋[3]或者開(kāi)閉裂紋[4]情況下的裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性;裂紋對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響,主要利用動(dòng)力學(xué)模型中計(jì)入裂紋位置局部剛度的變化量進(jìn)行表征[5-6]。當(dāng)此類(lèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生裂紋故障時(shí),其主要表現(xiàn)為裂紋故障位點(diǎn)局部力學(xué)性能的變化,即裂紋段柔性增加或剛度降低。

對(duì)于大預(yù)緊裝配環(huán)境下的復(fù)雜拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究多以無(wú)裂紋拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜力及動(dòng)力學(xué)特性[7]為主。劉昕等人[8]基于三維有限元數(shù)值方法,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)周向均布拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速及拉桿徑向安裝間隙變化會(huì)對(duì)拉桿應(yīng)力產(chǎn)生影響。周祚等人[9-10]考慮了拉桿凸臺(tái)和輪盤(pán)孔之間的接觸關(guān)系,發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力對(duì)拉桿瞬態(tài)應(yīng)力、啟動(dòng)特性及熱固耦合特性均會(huì)產(chǎn)生影響;該分析為拉桿凸肩優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有益參考。何競(jìng)飛等人[11-13]針對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輪盤(pán)及其盤(pán)間環(huán)形接觸應(yīng)力進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力變化會(huì)對(duì)輪盤(pán)接觸應(yīng)力分布和盤(pán)間磨損產(chǎn)生影響。徐寧等人[14-16]在考慮溫度熱效應(yīng)及其耦合條件下,發(fā)現(xiàn)高溫蠕變與殘余應(yīng)力之間的相互耦合會(huì)使得汽輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久變形,熱應(yīng)力會(huì)影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)特性,汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)葉輪根部應(yīng)力集中較為明顯。胡國(guó)安等人[17]基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的溫度及動(dòng)應(yīng)力的實(shí)際測(cè)試,確定了相應(yīng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)輪盤(pán)及葉片的壽命。談尚炯等人[18-19]采用有限元方法,分別探究了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)力集中及區(qū)域優(yōu)化策略,以及應(yīng)力釋放槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

相關(guān)研究對(duì)于無(wú)裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力分析提供了有益的參考,而對(duì)于含裂紋的拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力情況及裂紋對(duì)轉(zhuǎn)子整體的彎曲形態(tài)影響關(guān)注相對(duì)較少。基于有限元分析方法,李淑敏等人[20-21]研究了拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在離心力及熱應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,以及核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展規(guī)律。徐文標(biāo)等人[22]采用量綱分析法,揭示了拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋擴(kuò)展的尺寸效應(yīng)影響機(jī)理。王艾倫等人[23]基于結(jié)構(gòu)損傷與性能角度間的影響關(guān)系,揭示了裂紋故障引起的拉桿裂紋組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能退化機(jī)理。

上述相關(guān)研究表明,裂紋故障會(huì)對(duì)復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力及系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響,但其主要反映裂紋故障產(chǎn)生后局部剛度變化對(duì)系統(tǒng)的靜力或動(dòng)力學(xué)特性的影響。

此外,與一般整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比,盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到大預(yù)緊裝配作用,存在眾多接觸界面;而當(dāng)預(yù)緊拉桿出現(xiàn)裂紋故障后,裂紋故障的出現(xiàn)其所產(chǎn)生的影響不僅僅局限于裂紋故障位點(diǎn)局部位置力學(xué)性能的變化,其還對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)性能及轉(zhuǎn)子初始形態(tài)產(chǎn)生影響。

前文所述諸多研究并未充分反映有關(guān)影響因素,仍需對(duì)相關(guān)研究給予進(jìn)一步關(guān)注。

針對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)特征,筆者采用三維有限元方法,建立反映裂紋前緣奇異效應(yīng)的裂紋子模型及含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型,以及分析裂紋故障下拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力分布及重組情況;采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證裂紋故障對(duì)此類(lèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體彎曲形態(tài)的影響,以期精確考查此類(lèi)系統(tǒng)的靜動(dòng)力特性,并保障此類(lèi)動(dòng)力裝備的運(yùn)行。

1 裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型

典型的盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子(M701F重型燃機(jī)組合轉(zhuǎn)子)Fig.1 The typical disk rod-fastening rotor system(M701F heavy duty gas turbine combined rotor)

此類(lèi)系統(tǒng)常由一根中心拉桿或若干周向均布拉桿在大預(yù)緊力作用下由多級(jí)輪盤(pán)、多段轉(zhuǎn)軸等零部件精密裝配而成,且形成眾多接觸界面。

因其易于裝配、重量輕、冷卻性好、剛度大等優(yōu)異性能,此類(lèi)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船動(dòng)力、能源發(fā)電等領(lǐng)域的重大動(dòng)力裝備中。

與一般整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相比,此類(lèi)組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到大預(yù)緊裝配作用,存在眾多接觸界面,當(dāng)預(yù)緊拉桿出現(xiàn)裂紋故障后,系統(tǒng)相關(guān)力學(xué)特性較為復(fù)雜。

1.1 轉(zhuǎn)子計(jì)算模型

筆者所采用的轉(zhuǎn)子計(jì)算模型為三盤(pán)拉桿組合轉(zhuǎn)子等效模型,如圖2所示。

圖2 三盤(pán)拉桿組合轉(zhuǎn)子等效模型示意圖Fig.2 Diagram of the equivalent model of rod-fastening rotor system with three disks

該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型主要由轉(zhuǎn)子模型部分(主要為轉(zhuǎn)軸、三級(jí)輪盤(pán)、拉桿)和支承軸承組成,利用預(yù)緊力作用使得整個(gè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)為一體。

該拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1中展示了拉桿組合轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)軸直徑、輪盤(pán)直徑與厚度、軸承跨距等主要參數(shù)。

表1 三盤(pán)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)計(jì)算模型基本參數(shù)

1.2 奇異裂紋及系統(tǒng)有限元模型

根據(jù)經(jīng)典斷裂力學(xué)理論,裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端或前緣附近區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度大小的重要參量。裂紋面對(duì)稱(chēng)情況下I、II、III型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子表示如下:

(1)

式中:ux,uy,uz為裂紋前緣局部直角坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)x,y,z方向的位移分量;KⅠ,KⅡ,KⅢ為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子;G為剪切彈性模量;k為彈性系數(shù)。

根據(jù)式(1),對(duì)于Ⅰ型裂紋的應(yīng)力場(chǎng)表示如下[24]:

(2)

式中:fij(θ)為角分布函數(shù)。

三維裂紋前緣示意圖如圖3所示。

圖3 三維裂紋前緣Fig.3 3D crack front edge

裂紋故障在實(shí)際中多為三維形態(tài),且在裂紋前緣(如圖3所示)常產(chǎn)生應(yīng)力集中并呈現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象。

為了精確反映裂紋的影響,基于等參奇異單元有限元建模思想,采用退化六面體20節(jié)點(diǎn)等參奇異單元進(jìn)行三維裂紋建模,可以避免這種應(yīng)力奇異現(xiàn)象的產(chǎn)生。

退化六面體20節(jié)點(diǎn)等參奇異單元如圖4所示。

圖4 退化六面體20節(jié)點(diǎn)等參奇異單元Fig.4 3D isoparametric singular element

筆者采用圖4所示三維等參奇異單元建立反映裂紋前緣奇異效應(yīng)的裂紋子模型,對(duì)于拉桿橫向三維裂紋(裂紋位于圖2所示標(biāo)記1位置)的建模,主要分為裂紋前緣及其過(guò)渡區(qū)域的建模。

拉桿裂紋前緣奇異單元有限元建模如圖5所示。

圖5 拉桿三維裂紋前緣奇異單元有限元建模Fig.5 Finite element modeling of three-dimensional crack front of the rod with singular element

三維裂紋拉桿及含裂紋組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型如圖6所示。

筆者采用上述方法獲得了三維裂紋拉桿及含裂紋組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型,其中,拉桿預(yù)緊力采用滲透接觸法進(jìn)行模擬。

2 應(yīng)力分布重組分析

2.1 裂紋拉桿應(yīng)力

含(無(wú))裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力分布情況如圖7所示。

圖7 含(無(wú))裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力分布重組情況Fig.7 Stress distribution recombination of the rod-fastening rotor-system with or without cracks

由圖7(a)可知,對(duì)于不含拉桿裂紋的組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng),拉桿應(yīng)力分布均勻,并呈現(xiàn)一致的對(duì)稱(chēng)性。

而對(duì)于圖7(b)所示的含拉桿裂紋系統(tǒng),由于拉桿裂紋故障的產(chǎn)生,裂紋拉桿及無(wú)裂紋拉桿的應(yīng)力均發(fā)生了變化,即系統(tǒng)拉桿應(yīng)力整體發(fā)生了重組,且系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性發(fā)生了變化。

相比于傳統(tǒng)一般整體結(jié)構(gòu)的含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究,裂紋引入所產(chǎn)生的局部剛度變化以圣維南原理[25]載荷空間分布的近場(chǎng)效應(yīng)作為假設(shè)前提,其使得裂紋故障的出現(xiàn)主要表現(xiàn)為裂紋故障局部位置剛度降低。而這一理論假設(shè)難以充分反映大預(yù)緊裝配環(huán)境下,含裂紋故障盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力特性及裂紋故障的影響,亦無(wú)法準(zhǔn)確反映在復(fù)雜工況條件下,組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)渦動(dòng)中的應(yīng)力應(yīng)變及動(dòng)力特性。

2.2 裂紋前緣應(yīng)力

不同裂紋深度下,裂紋前緣應(yīng)力分布水平及重組情況如圖8所示。

圖8 裂紋深度對(duì)裂紋前緣應(yīng)力水平及重組影響情況Fig.8 Influence of crack depth on stress distribution of crack front and its recombination

圖8給出了裂紋深度h分別為0.1r0,0.3r0,0.5r0(r0為拉桿半徑即為0.5drod)條件下的裂紋前緣應(yīng)力分布。

對(duì)于含拉桿裂紋的組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng),裂紋拉桿的局部應(yīng)力發(fā)生了相應(yīng)的應(yīng)力分布變化,且隨著裂紋深度的增加,裂紋故障局部位置應(yīng)力變化更為突出;但從裂紋局部位置的應(yīng)力變化而言,其與圣維南原理的載荷空間分布近場(chǎng)分布假設(shè)一致[26-27]。

根據(jù)圖7進(jìn)一步可知:對(duì)于拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng),當(dāng)其發(fā)生裂紋故障時(shí),裂紋的影響不僅僅局限在裂紋故障局部位點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)主要接觸界面應(yīng)力

盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)因其典型的組合結(jié)構(gòu)特征、大預(yù)緊裝配作用等因素,系統(tǒng)接觸界面眾多,主要包括輪盤(pán)間粗糙接觸界面、拉桿螺母頭和輪盤(pán)端面之間的粗糙接觸界面、拉桿和輪盤(pán)拉桿孔之間的側(cè)向隨動(dòng)接觸界面。

這些粗糙接觸界面起著傳遞扭矩和切向剪切的作用,其剛度及阻尼特性對(duì)于盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的靜力及動(dòng)力特性均有著不同程度的影響,相關(guān)接觸界面的應(yīng)力分布情況是判斷在裂紋故障影響下此類(lèi)組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力分布變化及重組的重要特征。

為此,該部分主要針對(duì)此類(lèi)組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要粗糙界面(輪盤(pán)間接觸界面、拉桿螺母頭與輪盤(pán)端面間接觸界面),分別從粗糙接觸界面的法向和切向接觸兩個(gè)角度,考察裂紋故障對(duì)輪盤(pán)間粗糙接觸、拉桿螺母頭和輪盤(pán)端面之間的粗糙接觸這兩類(lèi)界面的應(yīng)力分布重組情況。

2.3.1 輪盤(pán)間粗糙界面應(yīng)力重組情況

不同裂紋深度(h=0.1r0,0.3r0,0.5r0)條件下,輪盤(pán)間法向接觸應(yīng)力水平及其變化重組情況如圖9所示。

圖9 裂紋深度對(duì)輪盤(pán)間法向接觸應(yīng)力分布重組影響情況Fig.9 Effect of crack depth on the normal contact stress distribution and recombination between disks

由圖9可知,拉桿裂紋故障的出現(xiàn)使得輪盤(pán)間法向接觸界面應(yīng)力發(fā)生了極為明顯的應(yīng)力分配不均和重新分布的情況,而隨著裂紋深度的逐漸增加,這種應(yīng)力分配不均現(xiàn)象更嚴(yán)重。

不同裂紋深度(h=0.1r0,0.3r0,0.5r0)條件下,輪盤(pán)間切接觸應(yīng)力水平及其變化重組情況如圖10所示。

圖10 裂紋深度對(duì)輪盤(pán)間切向接觸應(yīng)力分布重組影響情況Fig.10 Effect of crack depth on the tangential contact stress distribution and recombination between disks

圖10給出的輪盤(pán)間切向接觸應(yīng)力變化呈現(xiàn)了類(lèi)似的情況,相比而言,輪盤(pán)間的法向接觸界面應(yīng)力重組更為突出。

基于對(duì)含裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的輪盤(pán)間法向及切向接觸應(yīng)力重組情況分析可知,此類(lèi)轉(zhuǎn)子拉桿裂紋故障的影響不僅僅存在于裂紋故障的局部區(qū)域,也對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力水平產(chǎn)生了重要影響。

2.3.2 拉桿螺母頭與輪盤(pán)端部界面應(yīng)力重組情況

不同裂紋深度(h=0.1r0,0.3r0,0.5r0)條件下,拉桿螺母頭與輪盤(pán)端面間的法向和切向接觸應(yīng)力水平及其變化重組情況,分別如圖11所示。

不同裂紋深度(h=0.1r0,0.3r0,0.5r0)條件下,拉桿螺母頭與輪盤(pán)端面間的切向接觸應(yīng)力水平及其變化重組情況分別如圖12所示。

由圖11、圖12可知:無(wú)裂紋故障的拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)拉桿螺母頭與輪盤(pán)端部的接觸應(yīng)力分布均勻,而對(duì)于含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng),相應(yīng)的接觸界面發(fā)生了應(yīng)力分布不均和重組,且隨著拉桿裂紋深度的增加,應(yīng)力分配不均逐漸增強(qiáng);這種應(yīng)力重組在法向接觸方向表現(xiàn)得更為突出。

這里進(jìn)一步證實(shí),當(dāng)此類(lèi)預(yù)緊裝配組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)裂紋故障時(shí),裂紋故障的影響對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力水平產(chǎn)生了重要影響。

2.4 裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體彎曲特性

無(wú)裂紋和不同裂紋深度條件下,組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體形態(tài)情況如圖13所示。

圖13 裂紋深度對(duì)三維拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎曲特性的影響Fig.13 Effect of crack depth on the bending characteristics of 3D rod-fastening rotor system

圖13中,以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同形心位置的彎曲量來(lái)表征轉(zhuǎn)子整體彎曲特性。

從圖13中可知:無(wú)裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體趨于無(wú)彎曲狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)裂紋故障后,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體出現(xiàn)彎曲特性,在輪盤(pán)及其附近位置表現(xiàn)較為明顯,即使在0.5 mm深度的淺裂紋下,最大彎曲量接近2 μm;而隨著裂紋深度的增加,當(dāng)裂紋深度達(dá)到2.5 mm時(shí),輪盤(pán)節(jié)點(diǎn)位置彎曲量最大達(dá)到12 μm。而對(duì)于一般整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng),裂紋故障僅會(huì)對(duì)裂紋局部位置剛度產(chǎn)生影響,難以造成轉(zhuǎn)子整體形態(tài)的實(shí)質(zhì)變化。

這種彎曲效應(yīng)在高速旋轉(zhuǎn)中將進(jìn)一步放大,且隨著裂紋深度的增加逐漸加劇,即使是淺裂紋亦會(huì)產(chǎn)生較為重要的影響。忽略裂紋故障對(duì)此類(lèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的整體形態(tài)的影響將難以獲得精確的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證上述主要分析結(jié)果,即裂紋故障對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的初始彎曲形態(tài)影響,筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)方案為,主要采用高低點(diǎn)法對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行徑向跳動(dòng)水平測(cè)試,以此來(lái)反映裂紋故障對(duì)此類(lèi)復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力重組和整體形態(tài)的影響。

實(shí)驗(yàn)所采用的拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)Fig.14 Rod-fastening rotor system

拉桿組合轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖15所示。

圖15 拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向跳動(dòng)測(cè)試Fig.15 Radial runout test of a cracke and intact rod-fastening rotor system

筆者采用高低點(diǎn)法(測(cè)試方案如圖15所示),使用(無(wú))含裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向跳動(dòng)水平以表征轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的整體初始彎曲情況;即在高精度綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)平面(測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)平面未劃傷磨損前精度0.5 μm～1.5 μm),以V型塊支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng),參照盤(pán)車(chē)方式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,借助高精度數(shù)顯杠桿千分表找尋轉(zhuǎn)子不同截面位置高低點(diǎn),進(jìn)而確定無(wú)裂紋及含裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)標(biāo)記截面位置的徑向跳動(dòng)情況,以高低點(diǎn)的均值表征轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的初始彎曲形態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

不同裂紋深度下,拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)初始彎曲量的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,如圖16所示。

圖16 裂紋深度對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎曲特性的影響實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比結(jié)果Fig.16 Comparison of experimental and simulation results of the influence of crack depth on the bending characteristics of rod-fastening rotor system

從圖16中可知:對(duì)于無(wú)裂紋(裂紋深度為0.0 mm)的拉桿轉(zhuǎn)子系統(tǒng),其整體初始彎曲量實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果存在微小誤差,這種誤差主要受測(cè)試基礎(chǔ)平臺(tái)平面的精度及實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)(支撐V形塊和磁力表座底面難免會(huì)對(duì)高精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)面精度造成一定損失,高精度數(shù)顯杠桿表的使用技巧水平對(duì)測(cè)試結(jié)果亦有一定影響,這兩者的影響在測(cè)試目標(biāo)值較小時(shí)表現(xiàn)相對(duì)突出)的影響,此外受實(shí)際加工制造及裝配的影響,拉桿組合轉(zhuǎn)子初始彎曲量難以達(dá)到理想零彎曲狀態(tài)。

同時(shí),因轉(zhuǎn)子為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)子兩端受到自身重力的影響,相對(duì)輪盤(pán)及附近位置有一定彎曲現(xiàn)象,致使測(cè)試的結(jié)果呈兩端下垂趨勢(shì),總體有一定的輕微彎曲形態(tài),但這種彎曲和裂紋造成的彎曲效應(yīng)不同。

當(dāng)拉桿出現(xiàn)較淺的裂紋(裂紋深度為0.5 mm)時(shí),對(duì)比無(wú)裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)測(cè)及仿真計(jì)算值可知,雖裂紋較淺,但整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生了一定的初始彎曲,且相對(duì)無(wú)裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的附加彎曲;這種額外附加彎曲主要由裂紋故障所致(因裂紋較淺,這種彎曲并不突出)。此時(shí)的測(cè)試結(jié)果易受測(cè)試本身產(chǎn)生誤差的影響,這亦是此時(shí)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因。

當(dāng)裂紋深度逐漸增大到1.5 mm、2.5 mm時(shí),含裂紋故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)呈現(xiàn)出突出的初始彎曲效應(yīng)。此時(shí)的實(shí)測(cè)值和仿真計(jì)算結(jié)果一致性較好,但裂紋故障所誘發(fā)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體形態(tài)的附加彎曲程度隨著裂紋深度的增加逐漸加劇,且此時(shí)受到測(cè)試基礎(chǔ)平面精度的影響大幅減弱。

需要指出的是,這種裂紋故障所產(chǎn)生的附加彎曲在動(dòng)力學(xué)特性分析中表現(xiàn)得更為嚴(yán)峻。

實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比分析進(jìn)一步證實(shí)了裂紋故障對(duì)大預(yù)緊裝配環(huán)境下的拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響與一般整體轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同,這種影響不僅僅是裂紋故障位置局部柔性(剛度)變化,更值得關(guān)注的是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體形態(tài)的變化。

對(duì)于此類(lèi)復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng),裂紋故障的產(chǎn)生將使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力分布發(fā)生重組,并表現(xiàn)為不均勻和非對(duì)稱(chēng)性,其使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)力參數(shù)剛度、阻尼等均發(fā)生變化,且會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體形態(tài)發(fā)生初始彎曲。

在動(dòng)力學(xué)特性的研究中,應(yīng)力重組及轉(zhuǎn)子整體初始狀態(tài)的變化同時(shí)疊加影響,并具有時(shí)變特性,相比含裂紋的一般整體轉(zhuǎn)子系統(tǒng),裂紋故障僅產(chǎn)生裂紋局部剛度變化,含裂紋拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋所引發(fā)的相關(guān)影響因素在動(dòng)力學(xué)特性研究中需加以重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大預(yù)緊裝配的盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)特征和實(shí)際裂紋的三維形態(tài)特征,筆者采用三維等參奇異單元,建立了反映裂紋前緣奇異性含裂紋的三維盤(pán)式拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型,研究了裂紋故障對(duì)拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)力重組及系統(tǒng)整體彎曲特性的影響,并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

1)相比于一般整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),拉桿組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裂紋故障的產(chǎn)生不僅使得裂紋位置區(qū)域局部柔性增強(qiáng)(剛性降低),還使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要界面及系統(tǒng)應(yīng)力分布發(fā)生變化重組,系統(tǒng)應(yīng)力分配不均勻且呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的整體彎曲形態(tài)發(fā)生變化;

2)裂紋深度較淺(0.5 mm)時(shí),裂紋誘發(fā)的轉(zhuǎn)子附加彎曲效應(yīng)并不明顯;隨著裂紋深度的增加,系統(tǒng)應(yīng)力分布重組和附加彎曲更嚴(yán)峻,當(dāng)裂紋深度較深(1.5 mm或2.5 mm)時(shí),裂紋誘發(fā)的轉(zhuǎn)子附加彎曲效應(yīng)較為突出;

3)裂紋誘發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)力重組和初始彎曲將對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響。在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)渦動(dòng)中,這種影響更為突出,對(duì)此類(lèi)含裂紋故障的復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析需要考慮相關(guān)影響;

4)相關(guān)研究對(duì)闡釋復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)微小裂紋亦會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因,及此類(lèi)故障系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的精確分析有一定的理論參考價(jià)值。

未來(lái),筆者將針對(duì)此類(lèi)組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng),進(jìn)一步探究裂紋故障對(duì)復(fù)雜組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的應(yīng)力重組和整體彎曲特性的影響,并深入探究相關(guān)影響下的系統(tǒng)動(dòng)力特性。