拉桿轉(zhuǎn)子界面局部脫開(kāi)識(shí)別的改進(jìn)廣義柔度矩陣法

趙博　徐自力　闞選恩

摘要：燃?xì)廨啓C(jī)拉桿轉(zhuǎn)子在拉桿預(yù)緊松弛時(shí)，重力、振動(dòng)及熱變形等因素都可能導(dǎo)致輪盤(pán)非連續(xù)界面的局部分離。拉桿轉(zhuǎn)子各界面上彎矩隨著轉(zhuǎn)速改變而變化，通過(guò)不同階次臨界轉(zhuǎn)速時(shí)各界面的接觸狀態(tài)可能不同，因此只能使用對(duì)應(yīng)階次的模態(tài)參數(shù)對(duì)界面分離發(fā)生的位置和程度進(jìn)行識(shí)別。使用振型約束的方式對(duì)損傷識(shí)別的廣義柔度矩陣法進(jìn)行了改進(jìn)，能夠使用任意單階模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。利用拉桿轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和振型的變化量，結(jié)合其靜止時(shí)的模態(tài)參數(shù)，使用所提出方法對(duì)界面脫開(kāi)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果表明該方法能夠得到界面局部脫開(kāi)的位置和程度。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)；拉桿組合轉(zhuǎn)子；柔度矩陣法；損傷識(shí)別；陀螺效應(yīng)

引言

為解決轉(zhuǎn)子和葉片的冷卻問(wèn)題，重型燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般采用拉桿組合式結(jié)構(gòu)。與一般蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同，拉桿轉(zhuǎn)子不再是一個(gè)連續(xù)的整體，而是通過(guò)拉桿將多級(jí)輪盤(pán)壓緊組合在一起。拉桿轉(zhuǎn)子非連續(xù)的特點(diǎn)滿(mǎn)足了內(nèi)部冷卻氣流通道的要求，同時(shí)允許各級(jí)輪盤(pán)在徑向膨脹，以減小轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的熱應(yīng)力。隨著燃機(jī)向大功率、高效率、高進(jìn)氣溫度方向發(fā)展，拉桿轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境更加惡劣，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的要求也更高。拉桿螺栓由于長(zhǎng)期受到交變載荷作用會(huì)發(fā)生松弛以致預(yù)緊力減小，當(dāng)拉桿預(yù)緊力減小時(shí)，不平衡質(zhì)量導(dǎo)致的強(qiáng)迫振動(dòng)以及重力等因素都有可能引起轉(zhuǎn)子輪盤(pán)問(wèn)出現(xiàn)脫開(kāi)、滑移等。船用燃?xì)廨啓C(jī)拉桿組合轉(zhuǎn)子在突然停機(jī)時(shí)，氣缸內(nèi)高低溫氣體上下分層導(dǎo)致的熱變形會(huì)引起轉(zhuǎn)子非連續(xù)界面接觸應(yīng)力分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)導(dǎo)致界面的局部分離。因此，故障發(fā)生后及時(shí)識(shí)別出損傷發(fā)生的位置和程度，能夠避免拉桿轉(zhuǎn)子界面局部分離可能導(dǎo)致的災(zāi)難性事故，減少停機(jī)檢修的時(shí)間，對(duì)于大功率燃?xì)廨啓C(jī)就意味著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

拉桿轉(zhuǎn)子界面的局部分離會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子抗彎剛度減小，進(jìn)而引起模態(tài)參數(shù)的變化。由于頻率和振型等模態(tài)參數(shù)改變量與結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)、位置及嚴(yán)重程度相關(guān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)通過(guò)模態(tài)參數(shù)的改變識(shí)別損傷開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別使用結(jié)構(gòu)損傷前后的固有頻率和振型識(shí)別損傷的位置和程度，但是需要同時(shí)使用多階模態(tài)參數(shù)。拉桿轉(zhuǎn)子各界面上彎矩隨著轉(zhuǎn)速改變而變化，通過(guò)不同階次臨界轉(zhuǎn)速時(shí)各界面的接觸狀態(tài)可能不同，只能使用單階模態(tài)參數(shù)對(duì)界面分離發(fā)生的位置和程度進(jìn)行識(shí)別。基于結(jié)構(gòu)柔度矩陣的損傷識(shí)別方法具有需要模態(tài)參數(shù)少、識(shí)別精度高的特點(diǎn)受到關(guān)注。廣義柔度矩陣法降低了僅使用低階模態(tài)參數(shù)表示柔度矩陣帶來(lái)的截?cái)嗾`差，提高了當(dāng)噪音等隨機(jī)誤差存在時(shí)的識(shí)別精度。文獻(xiàn)[8-9]研究對(duì)象為靜止結(jié)構(gòu)。由于陀螺效應(yīng)等因素的影響，實(shí)際機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)獲得的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和渦動(dòng)軌跡不完全等同于其靜止時(shí)的固有頻率和振型。文獻(xiàn)[10]提出了轉(zhuǎn)子單處損傷的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，能夠通過(guò)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下的不平衡響應(yīng)得出單處損傷的位置和程度，但不能適用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中多處或連續(xù)損傷識(shí)別。綜上所述，已有的識(shí)別方法不是需要多階模態(tài)參數(shù)，未考慮陀螺效應(yīng)，就是僅適用于單處損傷識(shí)別，無(wú)法適用于識(shí)別拉桿轉(zhuǎn)子界面的局部脫開(kāi)。

本文考慮旋轉(zhuǎn)引起的陀螺效應(yīng)等因素的影響，針對(duì)連續(xù)及多處損傷模式，使用改進(jìn)的廣義柔度矩陣法，利用拉桿轉(zhuǎn)子界面局部脫開(kāi)導(dǎo)致的臨界轉(zhuǎn)速和振型的變化量，結(jié)合完整無(wú)阻尼系統(tǒng)靜止時(shí)的模態(tài)參數(shù)，對(duì)拉桿轉(zhuǎn)子界面脫開(kāi)的位置和程度進(jìn)行識(shí)別。研究了轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的影響，用提出的方法對(duì)拉桿轉(zhuǎn)子界面脫開(kāi)進(jìn)行了識(shí)別。