转轴表面裂纹时变刚度统一模型及裂纹在线检测预测技术研究

面向企业视情维修的工程需求，以旋转机械转轴表面裂纹故障为背景，研究转子裂纹故障机理、裂纹在线检测、疲劳寿命预测技术。首先，基于断裂力学应变能释放率方法，研究含表面螺旋裂纹转轴的刚度表达式；建立表面直裂纹、斜裂纹、螺旋形裂纹单元的统一刚度模型。其次，在此基础上，研究基于模型的转子转轴表面裂纹的在线识别技术，实现对裂纹的类型、位置、深度的精确诊断。最后，根据检测得到的转轴裂纹的精确信息，研究含表面裂纹转子的剩余疲劳寿命预测技术。在转子试验台上制备与工程实际最相符的疲劳裂纹，实验验证裂纹转子的动力学特性、在线检测、疲劳寿命预测理论算法和程序的正确性。本项研究将对提高企业生产过程的管理水平、减少维修费用的支出、避免灾难性事故发生、延长设备的使用寿命有重要的理论意义和应用价值。

本研究面向企业视情维修的工程需求，以旋转机械转轴表面裂纹故障为背景，研究转子裂纹故障机理、裂纹在线检测、疲劳寿命预测技术。1.基于断裂力学理论建立了半椭圆前缘裂纹转子单元的刚度模型，分析了静载条件下特征参数对转子刚度和裂纹尖端位移的影响。分析对比直前缘和半椭圆前缘裂纹转子不同裂纹深度下的呼吸过程和时变刚度变化。建立含呼吸裂纹转子系统动力学方程，分析了各前缘裂纹转子的振动响应特点以及特征参数对频谱成分和轴心轨迹的影响。2. 研究了时域上基于模型的裂纹识别方法，首先获得已知测点上健康转子和裂纹转子时域振动响应的残差，只保留裂纹对转轴的影响，并由已知残差估算系统整体残差。再利用转子动力学模型信息，将对裂纹的识别转化为对等效力的识别。数值模拟结果表明，此识别方法能识别单/双裂纹在转轴上的位置和类型；对于含双直裂纹转子，此方法还可识别两条裂纹关于轴线方向的夹角。3. 研究了频域上基于模型的识别方法，将测点上健康转子和裂纹转子振动响应残差，做快速傅立叶变换，获得残差在频域中的谐波分量。通过假设等效力作用的位置，利用有限元模型，识别等效力，代替识别裂纹。数值模拟结果表明，此识别方法能有效地识别出含单条直裂纹转子裂纹的位置。4. 研究了一种全新的基于模型的技术结合全息诊断技术的转子裂纹在线检测方法。分别对转子系统中可能存在不同类型的单裂纹、多裂纹情况进行分析。结果表明，基于模型和全息诊断技术的方法能够实现对转子中存在的裂纹及其参量的有效识别。5. 针对直裂纹前缘和椭圆型裂纹前缘这两种类型的裂纹前缘，确定了含裂纹深度比和裂纹长宽比的双参数应力强度因子，讨论了裂纹长宽比和裂纹深度比对椭圆型前缘裂纹应力强度因子的影响。采用四参数Forman公式对裂纹轴的疲劳扩展速率进行计算。分析结果表明，裂纹轴的疲劳裂纹扩展取决于裂纹的深度比和裂纹的长宽比。6. 通过伪刚体模型法建立平面3-RRR微动平台的运动学和动力学模型。在健康机构的动力学模型基础上建立含裂纹机构的动力学模型。比较分析健康机构与含裂纹机构的动力学模型，利用两者驱动力矩的残差判断裂纹存在与否，并检测其所在铰链的具体位置。数值模拟和实验结果表明，静态和动态输入信号都可以对平面3-RRR微动平台进行有效的裂纹检测。