翟鵬程, 何 青，彭慧春

(華北電力大學(xué) a. 能源動力與機械工程學(xué)院; b. 數(shù)理學(xué)院，北京102206)

橫向裂紋深度和質(zhì)量不平衡方向?qū)D(zhuǎn)子振動影響的實驗研究

翟鵬程a, 何 青a，彭慧春b

(華北電力大學(xué) a. 能源動力與機械工程學(xué)院; b. 數(shù)理學(xué)院，北京102206)

在旋轉(zhuǎn)機械工作中，為保障轉(zhuǎn)子的安全運行，研究轉(zhuǎn)子裂紋深度和質(zhì)量不平衡方向(質(zhì)量偏心與裂紋方向的夾角)對轉(zhuǎn)子振動特性的影響。搭建轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺，改變轉(zhuǎn)子裂紋深度、質(zhì)量不平衡方向，研究轉(zhuǎn)子的振動變化。實驗結(jié)果表明，工頻與二倍頻幅值均隨裂紋深度的增加而增大，并且在裂紋較深時，工頻與二倍頻幅值隨質(zhì)量不平衡方向角的增大而減小，對裂紋的識別或監(jiān)測有一定的指導(dǎo)意義。

轉(zhuǎn)子；橫向裂紋；不平衡；振動；實驗

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，諸如汽輪機等大型旋轉(zhuǎn)機械，其承受著高溫、高壓及各種交變應(yīng)力的作用[1]。長期運行下，由于疲勞累積造成損傷，轉(zhuǎn)子上易出現(xiàn)微小裂紋。如若不能及時發(fā)現(xiàn)，裂紋逐步擴散，輕則會產(chǎn)生振動，重則轉(zhuǎn)子斷裂，造成巨大的事故[2]。近幾十年，大型汽輪機轉(zhuǎn)子斷軸的事故仍有發(fā)生[3-5]。因而及時地發(fā)現(xiàn)裂紋對轉(zhuǎn)子的安全運行，減少災(zāi)難性的轉(zhuǎn)子斷軸事故和非計劃停機等具有重大意義。

質(zhì)量偏心對裂紋轉(zhuǎn)子影響的理論分析較多[6-12]，大多針對質(zhì)量偏心的大小及方向?qū)D(zhuǎn)子的運動狀態(tài)做動力學(xué)分析。而針對裂紋轉(zhuǎn)子的實驗探究較少，且實驗往往在轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速以下進行。文獻[13]研究了不同裂紋偏心角下轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性，表明了裂紋偏心角對轉(zhuǎn)子的振動有明顯影響。文獻[14]進行了單一裂紋在臨界轉(zhuǎn)速以下的實驗探究，分析了在1/2、1/3臨界轉(zhuǎn)速時會出現(xiàn)較為明顯的共振峰值。文獻[15]對裂紋轉(zhuǎn)子的支承情況進行了實驗探究，表明無論彈性還行剛性支承，無裂紋轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)只包含由不平衡量引起的工頻成分。文獻[16]選取了偏心質(zhì)量方向分別為0°和180°的2種情況，通過實驗表明不同質(zhì)量偏心角下，裂紋轉(zhuǎn)子的1X分量不同，但并未對不同深度的裂紋進行比較。

為研究不同深度的裂紋和偏心質(zhì)量方向?qū)α鸭y轉(zhuǎn)子振動的影響，本文選取了從淺到深7種裂紋深度，并在5個質(zhì)量偏心方向進行了實驗。分析了裂紋深度對工頻及二倍頻幅值的影響。最后對不同偏心角下，裂紋轉(zhuǎn)子的工頻和二倍頻幅值進行了比較，給出了幅值漸變的規(guī)律，為裂紋轉(zhuǎn)子故障診斷提供了一定的依據(jù)。

1 實驗裝置

本實驗針對橫向裂紋轉(zhuǎn)子，搭建如圖1所示的轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺。試驗臺總長80 cm，寬15 cm，采用滑動軸承，軸與電機剛性連接，可在0～10 000 r/min之間無級調(diào)速。分別在水平和垂直方向安裝非接觸式電渦流傳感器。圓盤上均勻分布有16個平衡孔，可用于調(diào)節(jié)偏心質(zhì)量和偏心方向。實驗所采用的轉(zhuǎn)軸長50 cm，直徑10 mm，橫裂紋位于轉(zhuǎn)軸中央，深度分別為1～7 mm，由0.18 mm鉬絲線切割而成。實驗時，兩軸承間的距離為44.5 cm。圓盤質(zhì)量1 kg，直徑100 mm。裂紋軸如圖2所示。傳感器依次連接前置器、振動變送器、信號采集處理分析儀和計算機，電機連接調(diào)速器，如圖3所示。表1中所列為裂紋轉(zhuǎn)子實驗中的各項參數(shù)。測得無裂紋轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速約為1 790 r/min。

圖1 轉(zhuǎn)子實驗臺

圖2 裂紋軸

圖3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗儀器

名稱單位數(shù)值裂紋深度amm1/2/3/4/5/6/7裂紋軸直徑Dmm10轉(zhuǎn)速nr/min1000/1500/2000/2500/3000偏心角β(°)0/45/90/135/180

實驗中，通過改變電機轉(zhuǎn)速，由位移傳感器測得各轉(zhuǎn)速下的振動信號，并對采集到的信號進行頻譜分析。圓盤平衡孔中加裝的偏心質(zhì)量重1 g。在每組實驗后，依次調(diào)節(jié)偏心質(zhì)量的位置，使得偏心質(zhì)量的方向與裂紋的法線方向夾角(即偏心角β)分別為0°、45°、90°、135°、180°。

2 實驗結(jié)果

2.1 裂紋深度的影響

以裂紋深度a=5 mm，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min為例，給出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動波形圖、頻譜圖和軸心軌跡圖，如圖4和圖5所示。

圖4 波形圖和頻譜圖

圖5 軸心軌跡圖

圖6(a)和圖6(b)分別為不同轉(zhuǎn)速下，裂紋軸橫向振動的工頻幅值與二倍頻幅值。圖中橫坐標為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，縱坐標為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的幅值。由于裂紋的存在，裂紋轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速要略低于1 790 r/min。圖中表明，隨著裂紋深度的增加，工頻和二倍頻幅值均依次增大。在臨界轉(zhuǎn)速以下運行時，不同裂紋深度的工頻和二倍頻幅值有較大的區(qū)分度；在臨界轉(zhuǎn)速以上運行時，不同裂紋深度間，工頻和二倍頻幅值的差異較小。為防止轉(zhuǎn)子系統(tǒng)被破壞，實驗并未將裂紋深度為6 mm、7 mm的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速以上。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下裂紋軸的工頻幅值與二倍頻幅值

圖7 不同質(zhì)量偏心方向?qū)?yīng)的工頻幅值圖

2.2 質(zhì)量偏心的影響

分別對裂紋深度a=1 mm至a=4 mm，偏心角β=0°、β=45°、β=90°、β=135°和β=180°共4個裂紋軸、5個質(zhì)量偏心方向上進行實驗。當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min。實驗轉(zhuǎn)速在2 000 r/min時，與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速最為接近，因而幅值最大。圖7(a)為裂紋深度1 mm軸的工頻幅值圖，在質(zhì)量偏心為180°時幅值達最大值，并且在90°附近振動有所緩和。圖7(b)、(c)、(d)分別為裂紋深度2 mm、3 mm、4 mm軸的工頻幅值圖。從圖中可見隨著質(zhì)量偏心角β從0°增大到180°，幅值逐漸降低，并且在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時變化較為明顯。

隨著質(zhì)量偏心方向的變化，質(zhì)量偏心對裂紋轉(zhuǎn)子的振動起到促進或抑制作用[17]。與圖6(a)作對比可知， 2～4 mm深度的裂紋在偏心角β<90°時，幅值大于無質(zhì)量偏心轉(zhuǎn)子的幅值；在偏心角β>90°時，幅值小于無質(zhì)量偏心轉(zhuǎn)子的幅值。由于1 mm裂紋對軸的剛度削弱相對較小[18]，這一規(guī)律并不明顯，這也表明微裂紋對轉(zhuǎn)子工頻幅值的影響程度小于質(zhì)量偏心的影響程度。

圖8(a)至(d)分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm深度的裂紋在不同情況下的二倍頻幅值圖，其變化規(guī)律與工頻幅值相似，尤其對于2～4 mm深度的裂紋，在質(zhì)量偏心方向的影響下幅值也呈現(xiàn)規(guī)律性變化。表明質(zhì)量偏心方向不僅僅對裂紋轉(zhuǎn)子的工頻幅值存在影響，對二倍頻也存在近似的影響。

由于a=6 mm、a=7 mm的裂紋較大，為安全起見，只進行了轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的實驗，如圖9所示。隨著偏心角的變化，幅值的變化規(guī)律與其他裂紋情況相似，二倍頻的幅值變化程度略小于工頻幅值。

圖8 不同質(zhì)量偏心方向?qū)?yīng)的二倍頻幅值圖

圖9 不同質(zhì)量偏心方向?qū)?yīng)的工頻與二倍頻幅值圖

3 結(jié)論

(1)隨著裂紋深度的增加，裂紋對剛度的削弱逐漸增強，從而加劇了轉(zhuǎn)子剛度在垂直于裂紋和平行于裂紋方向上的不平衡，使得工頻和二倍頻幅值均隨之增大。

(2)當(dāng)裂紋深度a/D=0.1時對軸的剛度削弱相對較小，剛度不平衡的影響較低。由于重力的作用轉(zhuǎn)子振幅在偏心角β=180°處達到最大值。

(3)2～7 mm裂紋軸在剛度不平衡和質(zhì)量偏心的共同作用下，β=0°處對應(yīng)的工頻幅值最大，并呈規(guī)律性下降在β=180°處時幅值最小。且β<90°時工頻幅值大于對應(yīng)的無質(zhì)量偏心轉(zhuǎn)子；β>90°時工頻幅值小于對應(yīng)的無質(zhì)量偏心轉(zhuǎn)子。此為裂紋故障的顯著特征之一。

(4) 偏心角β對轉(zhuǎn)子響應(yīng)的工頻和二倍頻幅值均存在影響，且呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，但二倍頻幅值受偏心角的影響程度略低于工頻幅值。

[1]林言麗. 斜裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性[D].北京：清華大學(xué),2009.

[2]張雁鵬, 姜茜. 汽輪發(fā)電機重大事故舉隅[J]. 東方電氣評論, 2015，29(1): 43-50.

[3]吳慶生. 汽輪機大軸彎曲診斷及其防范措施探討[J]. 電力科學(xué)與工程,2006，22(2):71-75,78.

[4]李益民,楊百勛,史志剛,等. 汽輪機轉(zhuǎn)子事故案例及原因分析[J]. 汽輪機技術(shù),2007, 49(1):66-69.

[5]李展,李紅,石志剛,等. 隨機擾動時碰摩轉(zhuǎn)子的非線性振動特性研究[J]. 電力科學(xué)與工程,2015,31(9):52-59.

[6]YUKIO I, TSUYOSHI I. Detection of a rotor crack using a harmonic excitation and nonlinear vibration analysis [J]. Journal of Vibration and Acoustics, 2006,128(6):741-749.

[7]CHENG L, LI N, CHEN X F, et al. The influence of crack breathing and imbalance orientation angle on the characteristics of the critical speed of a cracked rotor[J]. Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(9): 2031-2048.

[8]沈新亮, 鄒劍, 陳進, 等. 考慮切向剛度變化裂紋轉(zhuǎn)子的分叉與混沌[J]. 機械設(shè)計,2014,31(11):101-107.

[9]邵澤寬, 劉鳳娟. 質(zhì)量偏心對裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性的影響研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報, 2011(3):47-50,54.

[10]鐘志賢,祝長生. 主動磁軸承控制器對Jeffcott轉(zhuǎn)子裂紋故障特征的影響[J]. 中國電機工程學(xué)報,2012,32(5):105-110.

[11]王艷豐,朱靖,滕光蓉,等. 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子早期裂紋故障振動特征的1(1/2)維譜分析[J]. 振動與沖擊,2015,34(1):88-93,134.

[12]鐘志賢. 主動電磁軸承-裂紋柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究[D].杭州：浙江大學(xué),2013.

[13]李國鑌. 雙裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的實驗研究[J]. 汽輪機技術(shù),2010,52(4):281-283.

[14]陶海亮. 轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)典型故障非線性動力特性分析與實驗研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院工程熱物理研究所,2013.

[15]鄭艷平, 朱厚軍. 裂紋轉(zhuǎn)子的實驗研究[J]. 汽輪機技術(shù),2006，48(5)：364-366，355.

[16]胡照林, 軒建平. 裂紋轉(zhuǎn)子的理論分析與實驗研究[J]. 壓縮機技術(shù),2006(4):5-9.

[17]HE Q, PENG H, ZHAI P, et al. The effects of unbalance orientation angle on the stability of the lateral torsion coupling vibration of an accelerated rotor with a transverse breathing crack[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2016(75): 330-344.

[18]金志浩,吳旭景,李志定,等. 轉(zhuǎn)速對偏心裂紋轉(zhuǎn)子時變剛度的影響[J]. 沈陽化工大學(xué)學(xué)報,2015，29(1):32-36.

Experimental Study on the Effect of Transverse Crack Depth and Mass Unbalance on Rotor Vibration

ZHAI Pengchenga, HE Qinga, PENG Huichunb

(a.School of Energy Power and Mechanical Engineering；b. School of Mathematics and Physics,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to ensure the safety of the rotor, the influence of the crack depth and direction of mass unbalance (the included angle between the mass eccentricity and crack direction) on the vibration characteristics of the rotor are studied. The rotor vibration simulation test rig is set up to study the change of the rotor’s vibration with different crack depth and direction of mass unbalance. The experimental results show that both the frequency and amplitude of the two harmonics are increased with the increase of the crack depth, and the frequency and amplitude of the two harmonics are decreased with the increase of the mass unbalance direction angle. It has some guiding significance for the identification and monitoring of cracks.

rotor; transverse crack; disequilibrium; vibration; experiment

2016-08-19。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2015XS93)。

翟鵬程(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為裂紋轉(zhuǎn)子的動力學(xué)及穩(wěn)定性分析,E-mail：1256311780@qq.com。

TM731

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.007