单盘裂纹转子次谐波共振实验研究分析

１概 述
转轴横向裂纹极易导致 旋转机械事故 ， 对裂纹转子次谐 波共振 进行深入分析及研 究具有重要的现实意义 。根据 现有研究成果 可 传摩器 ２ 传感器 ３ 知， 当转速低于一 阶临界 的情况下 ， 单盘裂纹转子 非线性相应 主要 出现 于 １ 、／ ／ １ ３ ２以及 ２ ／ ３倍临界转速上下 ， 与之相对应 ， 系统会 出现 谐波及 高次谐波分量ｆ 此种情况形 同于 弦或梁 发生的轴 向力非 线 １ １ ， 性振动 ， 产生主共振 、 超谐 、 次谐共振 以及数谐波联合共 振［ 本研究 ２ １ ， 中借助 Ｂ ｎ ｙ实验 台实施单盘裂纹转 子次谐波共振实验 ， ｅｆ ｌ 具体模 型 示意 图详见下图 １ 所示 。 在 图 １中 ， ～３传感器 的主要作 用在 于检 测水平 、 直 、 阵 １ 垂 摆 位移 ， ４传感 器主要用 于检测键相信号 ，而 ５ 传感 器为转速反馈信 传摩 器 １ 号 。借助线切 割机进行切割可 以得到不超过 ０２毫米 宽 的轴 上裂 ． 图 １单盘裂纹转子次谐波共振实验模型示意 图 纹。 在接近盘的轴上设置检测水平位移信号及垂直位移 信号 的检测 所 据此可 以认 定 ： ａ ｔ０８的情 在 ｆ＝． 点， 在接近盘边缘的位置设 置盘摆振检测点 。实验设备大致可以分 临界转 速的三分之二左右 ， 以 ， 根据实验结果还可 以得 到 为四部分 ， 即转子 、 传感器 、 采样 系统及分析系统 本次采用 的试验 况下 同样有次谐波共振发生 。除此之外 ， 。 在功率谱 图当 中， １ 在 倍频 以及 ２３ 频的位置 可 以检 ／倍 系统几何 参数 为 ： 两大支承间存在 ４ ３厘米 的有效跨度 ， 轴直径为 １ 以下结论 ： 测到较为显著 的毛刺 ， 以此为依据 ， 可以判断此时 的相 应应属于若 厘米 ， 盘的重量 为 ０８千克 ， ． 盘厚度为 ２ ． ３厘米 ， 直径为 ７ ． ６厘米。 混沌类 型 ， 经过计算可知 ，ｙｐ ｎｖ Ｌ ａｕ ｏ 指数的上限值 为 ００ ３ 。 ．２３ 当转速 ２单盘裂纹转子次谐波共振实验 为 １１ ｒ ｉ ４ ０／ ｎ的情况下 ，不存在裂纹的转子所进行 的依 据属于周期 ｍ ２１ ． 实验过程 在系统 电压波形发生变化 的情况下 ， 这些 电压 的波形可 以借助 响应 。 ２ ． ３时摆振实验结果分析 数字的方法进行分 析 ，把它们分成 ５ Ｈ 的基波与其他倍数频率 ０Ｚ 当裂纹不大 的时 ， 受偏 心力的作用 ， 所发 生的横 向振 动主要 是 的高次谐 波， 这个 畸变 的波形就是 由于基波与各种谐波相互之 间叠 在摆阵中可 以检测到倍频分量改变 。 加的。 而对于电容器来说 ， 中的谐波大多不存在偶 数次倍 的。 其 除此 同频振动 ， 通过本次实验可 以在响应 中观察 到十分显著 的 ３ 倍 频分量 ， ２ ／ 之外 ， 中性点不接地星形连接 的电容器组 的相电流 ， 有三角形连 还 存在裂纹 的情况与不存在裂 纹的情况相 比较而言 ， 者幅值 前 接 的电容器组 的相 电压 中，都不会有 ３次以及 ３次的整数倍 的谐 并且 ， 此外还可 以清楚的观察到 ３倍频 以及 ４倍 波 。所以 ， 我们一般 考虑 ５ 、 、 １、３等次谐波对电气设备 的影 最大值约为后者 的一倍 ， ７ １ １ 响， 而在这些 高次谐波 中， ５次谐波 的影响最为显著网 。在系统 电压 频。这和裂纹较小的情况 十分接近。 ３结 论 中， 由于高次谐波 的存在会使 电容 器产 生过电流和过负荷 ， 但是两 根据现有研究可得知 ， 受到裂纹的影响 ， １ 倍频附近极易造 在 ／ ２ 者超过的倍数并不相同 。与此同时 ， 一次高次谐波电流所能引起 的 成系统出现次谐波共振现象 。 笔者在此借助 Ｂ ｎｌ模拟转子实验 台 ｅｔ ｙ 波形畸变 ， 比其引起 的电压波形畸变程度大 远 。 实施单盘裂纹转子次谐波共 振实验 ， 实验结果在此对受到裂纹 的影 本实验用轴三根 ， 中一根无裂缝 ， 其 剩余两根 分别有 ２毫米 和 在 ／ ２ ４毫米深的裂纹 。首先对没有裂纹 的轴以 １０ ｒ ｉ ５ ０／ ｎ实施动平衡 ， ａ ｒ 之 响 ， １ 倍频 附近极易造成系统 出现次谐波共振 现象 的结论加 以 验证 ， 除此之外 ， 还可 以总结 出， 与之相类似 的现象在 ２３ 临界转 ／倍 后实施升速实验 ， 在一 临界 转速达到 ２ ００／ ｎ 并 １０ ｒ 。裂 纹位 置会 导 ｍｉ 速周边 同样会 发生 ， 并且受此影 响 ， 相应转速对应 的振幅也会 出现 致塑性变形 ， 轴经过几次 实验 就会 报废 ， 此外 ， 如果裂纹较深 ， 进 在 ／ ２倍频 、／ ３ ２ 行高速转动 时会 出现严重的弯 曲现象 ， 电机负荷增加 ， 且转子 出现 十分显著的上升，此外 ，在实验过程 中还 可以检测 到 １ ２倍频 以及 ３ 倍频分量。对裂纹所导致 的影响 ， 摆振反应最为 更加明显的振动 ， 考虑到安全性 ， 实验不超过一 临界转速 。 在进行分 倍频 、 通常情况下 ， 在存在裂纹 的情况与不存 在裂纹 的情况 相 比较 析 时， 若相应存在多周期 ， 以其中表现最显著的方 向为依据绘图。 强烈 ， 而言 ， 前者 的振 幅约 为后 者的一倍 以上 ， 且存 在十分显著 的倍频成 ２２ 向振动实验结果分析 ．横 分。所 以， 在早期判断裂纹 时， 可以将摆振作为主要依 据。 ２． １ ／ ＝ ４ ２． ａＲ ０． 参 考 文献 实验结果表明 ， ａ ＝ ． 在 ／ ０ Ｒ ４的情况下 ， 检测到的谐波相应 比较显 １ １ 任兴 秦卫 吴亚锋， 支希哲． 单盘裂纹转子次谐 波共振 著， 并且 ， 不存在裂 纹 的情况 下 ， 在 相应轨迹 图呈现较 为平滑 的圆 『 杨永锋 ， 民， 阳， 实验研 究［． Ｊ机械科学与技术， ０ ，１ ］ ２ ８１ ． ０ 形 ， 此时则呈现三角形 ， 大幅上升 ， 倍 频分量 比较显 著 ， 但 幅值 ２ 此 ２ ａ ｇＴ Ｓ ｎｌｓ ｎ ｎｎ ｒｓｎｎ ｅｓ ｎ ｉｇｗ ｖｓａ ｄ ｖ ａ ］ ｓ ａ ｂ 外 可以检测 到 ３ 倍频及 ４倍频 ， 速 １４ ｒ ｉ， 一临界转速的一 【 Ｆ ｎ － Ａ ａｙｉ ｏ ｏ—ｅｏ ａｃ ｔ ｄｎ ａｅ ｎ ｉｒ— 转 ０ ５／ ｎ 是 ｍ ｔｎ ｔ ｃ ｓｏ ｔｎ ｓ ｕ． ． ｈ ｓ ８２ ０）１ ８ ｉ ｒ ｋ ｆｓ ｉｇ Ｅ ｒ Ｊ Ｐ ｙ．２ （ ７ － ． ｏ ａ ｒ ０ 半左右 ， 据此可知 出现了次谐波共振 。 『 姚红 良， ３ １ 刘长利， 张晓伟 ， 闻邦椿． 支承松 动故障转子 系统共振 区动 ２ ２ ２ ａＲ＝ ． ． ． ／ ０ ８ 态特性分析『． Ｊ 东北大学学报， ０ ， ］ ２ ３８ ０ ． 当处于 ａ ＝ ． ／ ０８的情况下 ， Ｒ 系统发生的非线性相应十分显 著 ， 此 ４ 】 马辉， 王德 明， 宋乃 慧． 小波分析 在转子裂纹故 障中的应用 时非线性相应轨迹图形状与五角形较为接近 ， 出现较大 幅度 的幅值 【 任朝 晖， 『． Ｊ 东北大学学报（ １ 自然科 学版） ０７４ ， ０ ，． ２ 上升， 进而导致转 子台架出现整体性振动 ， 外还可 以观察 到削波 此 ］ 朱厚 裂纹转子的 实验研 究【 ０ 轮机技术， ０ ，． Ｊ气 ］ ２ ６５ ０ 现象 ； 功率谱当 中所检测到的 ３ 倍频 比较显著 ， ２ ／ 不仅如此 ， 还可以 【 郑艳平， 军． ５
・
究分析
刘力伟 张 丽
（ 河南省信 阳师范学院物理 电子工程学院， 河南 信阳 ４４ ０ ） ６ ００
摘
要： 转轴横向裂纹极 易导致旋转机械事故 ， 对裂纹转子 次谐波共振进行深入分析及研究具有重要 的现 实意义。将对借助 Ｂ ｎｙ ｅｄ
模拟转子 实验 台实施单盘裂纹转子次谐 波共振 实验的具体 实验过程及实验结果进行详细阐述 。 关键词 ： 裂纹转子 ； 次谐波 ； 共振
一
检测到 １ 倍频 、／ 倍频 以及 ３ 频。此 时的转速为 １ １ｒ ｉ ， ２ ／ ５２ 倍 ４０／ ｎ 在 ａ ｒ
基金项 目： 河南省 自然科 学基础理论项 目（ ２０ ４ ０ ７ ）信 阳师范学院青年科研基金项 目（０ ０ ０ ０ 。 １ ３ ０ １１９ ； ０ ２ １０ ８ ）