航空发动机转子早期裂纹故障振动特征的维谱分析

针对航空发动机转子早期裂纹故障难以检测的特点首先,根据转子裂纹扩展机理,建立早期裂纹转子振动分析理论模型,提出利用112维谱对早期裂纹振动信号进行分析。然后,利用112维谱分析法对早期裂纹转子理论模型和早期裂纹转子故障实验数据进行了具体分析。理论模型和实验数据分析结果都表明:应用112维谱对实际发动机转子早期裂纹故障信号进行分析,不仅能够得到一般频谱分析法难以获得的故障特征频率,还能对混叠噪声信号进行降噪。因此,112维谱能够有效的诊断航空发动机转子裂纹故障,在航空发动机故障诊断中具有一定的应用价值。     

裂纹非线性呼吸行为对转子临界转速的影响

为了研究复杂涡动引起的裂纹非线性呼吸行为对转子临界转速的影响,构建了带横向裂纹Jeffcott转子的通用运动方程,利用新建运动方程对临界转速附近裂纹转子的稳态响应进行了数值研究。发现裂纹的非线性呼吸行为对转子不但具有增强稳定性的作用(与开裂纹转子相比),而且在一定条件下具有降低振动响应的作用(与无裂纹转子相比)。与无裂纹转子相似,稳定的裂纹转子的临界转速等于响应振幅最大且重心转向约90°对应的转速。裂纹转子的临界转速值随不平衡量方位角在开裂纹和闭裂纹转子固有频率之间变化。在转子实验台上进行了裂纹转子通过临界转速的实验验证,观察数据支持理论研究结果。     

航空发动机转子早期裂纹故障振动特征的1(1/2)维谱分析

针对航空发动机转子早期裂纹故障难以检测的特点首先,根据转子裂纹扩展机理,建立早期裂纹转子振动分析理论模型,提出利用112维谱对早期裂纹振动信号进行分析。然后,利用112维谱分析法对早期裂纹转子理论模型和早期裂纹转子故障实验数据进行了具体分析。理论模型和实验数据分析结果都表明:应用112维谱对实际发动机转子早期裂纹故障信号进行分析,不仅能够得到一般频谱分析法难以获得的故障特征频率,还能对混叠噪声信号进行降噪。因此,112维谱能够有效的诊断航空发动机转子裂纹故障,在航空发动机故障诊断中具有一定的应用价值。     

双裂纹转子系统非线性动力学特性研究

从断裂力学理论出发,考虑了裂纹强度因子中剪力因素在裂纹截面处的影响,通过建立的裂纹转子精细有限元动力学模型,分析了不同裂纹位置对双裂纹转子系统亚临界、主共振区,及超临界转速下的非线性动力学响应,以及双裂纹转子系统不同裂纹方向角对双裂纹转子系统动力学响应的影响,结果为多裂纹转子系统故障识别提供了理论依据。     

裂纹转子非线性振动实验研究

对轴中央含有横向裂纹的Jeffcott转子系统,在转子试验台上进行了非线性动力学特性的模拟实验.通过对比裂纹轴与完好轴在不同转速时的振动特征可以看出,裂纹轴的临界转速有明显降低,而且二阶和高阶频率成分在系统通过1/2临界转速时变得非常明显,在亚临界转速区,轴心轨迹出现明显的双环形结构.这些与理论分析的结果定性相符.     

带有轴承间隙的裂纹转子分叉与混沌特性

在考虑到轴承间隙的同时构造了开闭裂纹转子系统的动力学模型,依据此模型对裂纹转子的非线性特性进行了分析,结果表明,转子系统不但具有周期和拟周期解,而且还出现了分叉和混沌等非线性动力学现象。同时,对带有轴承间 裂纹转子所表现的特异症状进行了研究,其结果可用于旋转机械的故障诊断。     

基于最优小波基的主泵裂纹转子特征识别研究

针对反应堆主冷却剂泵经过长期运行后,可能会出现的转子裂纹故障,利用小波分析,能够实现对故障特征的识别。结合反应堆主冷却剂泵裂纹转子振动模型的仿真信号,运用连续小波变换的方法,从小波基库中选出不同小波基分别计算与故障信号的互相关系数,确定最大值,其对应的小波基即为转子裂纹故障信号的最优小波基,并使用该小波基对故障信号进行分析,将功率谱、变换尺度以及频率以三维图的形式刻画出来。仿真结果表明,最大互相关系数选出的小波基可以作为转子裂纹故障信号的最优小波基,并且能够很好的识别出转子裂纹故障特征。     

双裂纹转子振动特性的有限元和实验研究

转子裂纹是旋转机械常见故障,目前对转子复合裂纹的研究尚不够深入。本文运用有限元方法对具有两条横向裂纹的转子系统动力学特性进行了仿真分析,研究了不同裂纹夹角的转子动力学行为,并得到了转动过程中两条裂纹开闭的关系。通过与实验结果对比,验证了模拟的有效性。     

双裂纹转子振动特性的有限元和实验研究

转子裂纹是旋转机械常见故障,目前对转子复合裂纹的研究尚不够深入。本文运用有限元方法对具有两条横向裂纹的转子系统动力学特性进行仿真分析,研究了不同裂纹夹角的转子动力学行为,得到转动过程中两条裂纹开闭的关系。与实验结果对比,验证了模拟的有效性。     

转轴上裂纹在通过临界转速过程中的呼吸特征

为了研究复杂涡动引起的裂纹非线性呼吸行为对转子临界转速的影响,在恒速裂纹转子运动方程的基础上构建带横向裂纹Jeffcott转子的通用运动方程,对裂纹转子加速通过临界转速的过程进行了数值研究。结果表明:不平衡量方位角对临界转速有较大影响;在临界转速附近,裂纹的呼吸减弱;在恒加速过程中裂纹转子的最大响应滞后于重心转向。在转子实验台上进行裂纹转子通过临界转速的实验验证,观察数据支持理论研究结果。     

含初始弯曲裂纹转子的振动分析

基于简单铰链裂纹模型,建立了含初始弯曲裂纹转子的无量纲动力学模型,可适用于稳态、瞬态、非线性等不同运动状态下、不同系统参数情形下裂纹转子的振动分析。经解析求解对比了含初始弯曲裂纹转子与无初始弯曲裂纹转子谐波频率成分的差异,计算得到了裂纹激励与初始弯曲激励的参与因子,研究了系统的亚临界共振特性。采用Floquet理论分析了含初始弯曲裂纹转子的稳定性,讨论了不同的刚度变化、阻尼比对系统稳定性的影响,可为裂纹转子识别提供依据     

直斜裂纹转轴的时变刚度特性研究*

本文采用有限元方法建立了裂纹转子系统的动力学方程,利用应变能释放率方法得到了裂纹单元的刚度矩阵,采用应力强度因子为零法模拟裂纹的呼吸效应,详细研究了不同深度的直裂纹和45°斜裂纹转子,在一个稳态旋转周期内,裂纹开闭规律以及转轴刚度时变特性。研究表明裂纹深度的增大使裂纹转轴的刚度变化增大,直裂纹与斜裂纹转轴的刚度变化特性具有明显差异,斜裂纹引起更多与更强的耦合振动,使转子的动力学性能更复杂。     

Jeffcott裂纹转子动力特性的研究

本文采用适当的裂纹开闭模型,导出了固定坐标系中裂纹轴的刚矩阵,建立了水平Jeffcott裂纹转子的振动微分方程,并对其进行了仿真计算。数值仿真表明：裂纹转子的响应中出现2x、3x等倍频分量,并产生分数次共振现象。在超临界转速区,倍频分量很小,但在响应的相频特性图中2x、3x处相位变化很大。参数β和e^-主要影响1x谐波分量,对2x、3x等倍频分量影响很小。由于裂纹的存在,转子轨迹的中心也发生偏移。在临界速附近,转子运行过程中裂纹处于常开或常闭状态。一般情况,当转子的偏心e^-小于1时,裂纹在转子运行过程中总是时开时闭的。这些结论将有助于转子裂纹故障的监测和诊断。     

《基于微分的经验模式方法在转子裂纹和碰摩故障诊断中的应用》

介绍了基于微分的经验模式方法（DEMD）,在Jeffcott裂纹转子模型和碰摩转子模型基础上,对裂纹和碰摩信号进行时间响应分析。结果表明,DEMD比传统的EMD方法呈现出更好的检测效果。研究工作为裂纹和碰摩转子故障诊断提供了一种工具。     

THE EFFECT OF MODE III LOADING ON FATIGUE CRACK GROWTH IN A ROTATING SHAFT

Abstract— Four particularly pronounced beachmarks have been identified on the fracture surface of a cracked rotor. A correlation has been made between these beachmarks and events in the operational record. Fatigue crack growth calculations have been performed for a chordally cracked shaft subject to alternating self-weight bend stresses. The shaft dimensions and loading used correspond to the position of the crack in the rotor and growth rates were calculated over a range of crack depths spanning the positions of the major beachmarks. The results of the calculations agree with the beachmark correlation if allowance is made for the effect of the torsional loading of the shaft.     

裂纹拉杆转子连接界面非线性建模与多参数演变规律研究

针对含拉杆裂纹的转子非线性振动现象,基于Paris裂纹扩展规律,建立了裂纹拉杆刚度模型;以界面接触刚度表征拉杆预紧作用,建立了轮盘接触刚度模型;采用Capone短轴承模型,完成了含拉杆裂纹的转子连接界面非线性动力学建模。通过系统Poincare截面分析发现,在转速与偏心多因素影响下得到的e-n分岔集中,系统在倍周期分岔与拟周期分岔之间交替变化;在裂纹扩展与转速的η-n分岔集中,解的分岔点分布不连续;不同转速下,位移随裂纹扩展的分岔轨迹比较复杂,拉杆裂纹的存在会加速或减缓分岔点的出现。结果表明:拉杆裂纹对转子稳定性作用机理受系统参数集的影响。研究结论对拉杆转子的参数设计与故障识别有一定意义。     

带横向裂纹的拉杆转子非线性动力学特性研究

以拉杆转子为对象,对具有横向裂纹的拉杆转子非线性动力学响应特性进行研究。基于达朗贝尔原理建立考虑轮盘之间非线性接触特性的裂纹拉杆转子系统运动方程。采用数值积分方法对运动方程进行求解,得到轮盘振幅随转速变化的曲线。分析裂纹刚度减小量、轮盘质量偏心矢量夹角、接触面阻尼系数、裂纹角等系统参数对轮盘幅频特性的影响。同整体转子相比,裂纹拉杆转子除在1/2阶、1/3阶临界转速附近发生1/2阶、1/3阶亚谐共振外,在超临界转速区域存在超谐共振。系统参数对裂纹拉杆转子幅频特性曲线影响较大。分析结果可为认识裂纹转子系统的响应特性、开展裂纹转子的故障诊断提供理论指导。     

Application of 3D wavelet transforms for crack detection in rotor systems

The dynamics and diagnostics of a cracked rotor have been gaining importance in recent years. The early detection of faults like fatigue cracks in rotor shafts are very important to prevent catastrophic failure of the rotor system. Vibration monitoring during start up or shut-down is as important as during steady state operation to detect cracks especially for machines such as aircraft engines which start and stop quite frequently and run at high speeds. So, the transient data of the cracked rotor has been transformed using the wavelet transforms for crack detection. Most of the works quoted in the literature used 1D wavelets or 2D wavelets (Continuous Wavelet Transform-CWT) for crack detection. The crack detectors in the signals are both time as well as frequency dependent. So, the use of 2D wavelets is also not enough to detect the crack. In the present work a 3D wavelet (CWT) has been utilized which clearly indicates both the time and frequency features of the crack. The presence of sub-criticals in the CWT may be a best crack indicator but it is not always reliable. The addition of noise to the signal may sometimes lead to inaccurate results. So, there is a need to identify a parameter in addition to the sub-criticals. The phase angle between the two signals (cracked and un-cracked) or two transverse vibrations can be a better crack indicator because it is very less sensitive to noise disturbance. So, to extract the above phase angle a new transform has been applied called Cross Wavelet Transform (XWT). The XWT is exploited for the first time to a rotor fault detection system in the present work. Some interesting results have been obtained using the same. The advantage of the XWT is that both, the phase angles between the transverse signals and also the amplitudes of sub-criticals are viewed in a single plot. Parametric analysis is also carried out by varying crack depth and crack position for diagnostic purposes. The inverse problem of crack identification (i.e. determining the crack parameters through known vibration data) has also been carried out using Artificial Neural Network (ANN).