裂紋故障轉子-滾動軸承系統的實驗研究

白潔

摘? 要：為了研究滾動軸承系統裂紋轉子的非線性動力學行為，改建了轉子實驗臺。實驗結果表明：裂紋轉子在升速過程中，在1/3、1/2和1倍臨界轉速附近出現次諧波共振現象;不同轉速下裂紋轉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之一。

關鍵詞：裂紋故障? 擺振? 轉子? 實驗

中圖分類號：TH113? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，轉軸作為旋轉機械的主要承力部件，如果發生斷裂，就可能發生災難性的事故，造成生命和財產的巨大損失。調查表明，國內外不斷發生的大型旋轉機械事故，主要就是各種軸斷機毀事件。

為了確保旋轉機械安全可靠地運行及避免由裂紋故障而造成的更為嚴重的事故，對裂紋轉子系統的各種特性進行深入研究是十分重要的。國內外很多學者在這方面已經做了大量的工作。

已有的研究多以單圓盤的Jeffcott轉子為研究對象，且多采用滑動軸承支撐方式，而后建立系統的運動微分方程，采用數值模擬方法求解裂紋轉子的非線性動力學特性，裂紋轉子系統動力學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上，設計了滾動軸承支承座，建立了雙圓盤對稱結構的裂紋轉子系統。利用數據采集設備進行了滾動軸承支撐情況下裂紋轉子的升降速實驗，并討論了不同影響因素下裂紋轉子系統的非線性振動特征。

1? 實驗模型及其裝置

轉子實驗臺由電機、轉子、轉速控制系統組成，實驗臺使用直流并勵驅動方案，結構簡單，調速范圍大，且運行平穩，電機與轉軸間采用波紋管聯軸器[1]。手動調壓工作轉速0～10 000 r/min;可模擬單跨和多跨轉子運動。軸心徑向位移用電渦流傳感器測量，所用數據采集系統為東華DH5920數據采集儀。軸上裂紋是由線切割機切割獲得，寬度為1 mm。裂紋轉子-滾動軸承系統裝置見圖1，實驗臺其他參數見表1。

2? 實驗結果及分析

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%），測得系統的固有頻率為48.13 Hz。在實驗中，由于裂紋處會產生塑性變形，當轉速增大時，振動響應急劇上升;并且裂紋較深的轉軸在高速運轉時彎曲較嚴重，電機負荷增大，轉子振動加劇。因此，為了安全起見，除升速實驗外，裂紋轉子只在1階臨界轉速以下進行實驗。分析中，系統采樣頻率1.28 kHz，時域點數4 096。

2.1 裂紋轉子系統的升速實驗

由于裂紋故障的影響，設備的運行環境比較惡劣，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，分數次共振是轉子出現裂紋的明顯特征，特別是2次諧波和3次諧波分量在分別以1/2和1/3臨界轉速為中心的很大轉速范圍內都很顯著，裂紋的存在也使1X諧波振動分量增大，并且隨著裂紋嚴重程度的加重而愈加明顯。同樣的，裂紋轉子的降速過程也存在比較明顯的分數次共振現象。

對比以往的研究結論[2-5]，發現無論是剛性支撐、滾動軸承支撐或滑動軸承支撐，當轉速比Ω=1/n時， nX分量會達到最大值，由此可判斷產生分數次諧波共振是裂紋轉子的固有特征。

2.2 轉速對裂紋轉子系統的影響

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

當轉速較低時，即轉頻為5.63 Hz時，雖然轉子系統有裂紋故障，但對系統的振動響應影響很小，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。

隨著轉速的升高，振動響應中出現了2X、3X和4X等高頻成分。當轉頻為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。此時的轉速約為一階臨界轉速的1/3，因此可以判斷此時發生了次諧波共振。

轉速繼續升高時，響應中的2X幅值也不斷增大，當轉頻為22.63 Hz時，軸心軌跡從光滑圓環變為類三角形，頻譜圖中2X分量明顯增加，同時3X、4X成分也可以觀測到。

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

2.3 裂紋角對裂紋轉子系統的影響

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

為了進一步探討裂紋角對彎曲振動的影響規律，以固定的偏心質量5 g分別加在裂紋角為0°、120°、180°、300°的轉子表面，其他實驗條件不變。圖5為裂紋轉子系統隨裂紋角變化的響應。當0

3? 結論

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

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

（2）不同轉速下，裂紋轉子的彎曲振動特征也不同，特別是轉速為1/3 fc和2/3 fc，振動響應中會出現明顯的nX/2的分頻成分，軸心軌跡也是在類橢圓、雙拓撲圓環和類三角形之間變化。

（3）彎曲振動幅值隨裂紋角以2π為周期成余弦規律變化。

參考文獻

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[5] 張亞輝，趙軍.含裂紋故障的轉子-軸承系統的非線性特性分析[J].艦船電子工程，2016，36（8）：193-197.

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