裂纹转子的动力学分析及故障诊断研究

• 作 者: 王卓婷
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 裂纹转子 动态特性 动力学分析 故障诊断 旋转机械

旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备，转子系统作为旋转机械的关键部件，它的正常运行影响着整个工业的发展进程。因此，对转子系统动力学特性分析及其故障诊断研究具有十分重要的意义。转子裂纹故障是旋转机械的常见故障之一，本文基于断裂力学的理论，采用能量法计算裂纹转子的刚度矩阵，并利用应力强度因子为零的方法确定裂纹的呼吸过程，在此基础上研究裂纹转子的振动特性。论文的主要工作有:　　(1)建立含横向裂纹的Jeffcott转子模型，考虑截面剪力、弯矩以及扭矩作用下转子系统五个方向的自由度，依据卡氏定理计算无裂纹轴段的柔度，由于裂纹尖端附近应变能集中，采用应变能释放率计算裂纹转子的附加柔度，进而得到转子系统的刚度矩阵。利用MATLAB数值计算分析裂纹对转子附加柔度的影响。　　(2)对比分析两种计算裂纹转子呼吸刚度的方法:中性轴法和应力强度因子为零法。采用应力强度因子为零的方法确定裂纹的开闭线位置CCLP，进而确定求解刚度矩阵时的积分区域，得到裂纹转子的主刚度值以及存在的耦合刚度值，并分析裂纹深度对转子系统刚度特性的影响，为之后研究裂纹转子系统的振动响应作基础。　　(3)建立裂纹转子的动力学方程，采用龙格-库塔数值计算求解转子系统的动态响应。首先考虑转子系统的自重和圆盘偏心引起的内部激励，得到裂纹转子的横向振动响应。接着讨论裂纹深度对其横向振动响应的影响，通过MATLAB计算得到时域波形和频谱图。最后，考虑扭转激振频率，研究裂纹转子的耦合振动情况，为识别转子裂纹故障提供理论依据。　　(4)利用ABAQUS软件建立转子系统的三维有限元模型，并对实体单元的材料属性与载荷分布按照实际情况加载，研究裂纹的呼吸过程以及裂纹对转子系统动态特性的影响。在研究单裂纹转子模型的基础上，分析双裂纹转子在不用的裂纹方向角时转子系统的振动特性。