转子叶片裂纹扩展故障诊断实验研究

刘晓波 黄其柏

(华中科技大学机械科学与工程学院 湖北武汉 430074)

    摘  要：设计了旋转机械振动监测实验台，通过实验采集了不同裂纹宽度的转子叶片裂纹振动信号，应用小波包分析技术对采集到的振动信号从低频到高频作4尺度小波分解，通过信号的小波包分析谱、信号的小波包分解频段细化图、信号频段小波重构波形对叶片裂纹扩展进行识别、分析，结果表明：叶片裂纹存在高频冲击，并且表现为轻微的颤动、裂纹扩展、振动加剧，当裂纹宽度为叶片宽度的一半时，裂纹迅速扩张，叶片很快断裂，这就为转子叶片裂纹故障的监测与诊断提供了依据。
    关键词：转子叶片；故障诊断；小波包分解；裂纹扩展

    转子系统是旋转机械的重要部件，转子裂纹扩展引起的叶片断裂对于旋转机械危害极大。目前，对转子叶片裂纹振动特性研究较多，对转子叶片裂纹故障的诊断、识别技术研究较少，而转子叶片裂纹及其扩展的识别对于最终实现叶片裂纹故障的诊断具有重要意义。在机械设备故障诊断中，目前通常采用基于平稳过程的经典信号处理方法——傅里叶变换分析和加窗傅里叶分析，分别仅从时域或频域给出信号的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域的全貌和局部化特征，而这些局部化特征往往是故障的表征。转子叶片裂纹产生后，其刚度发生变化，转子系统的动态特性也发生变化，使得产生非平衡信号，特别是当叶片有微小裂纹时，它的缺陷信号通常被其他零部件的振动信号和随机噪声所淹没。本文采用小波分解技术能够将这类信号分解到一个由小波伸缩而成的基函数族上，信息量完整无缺，在通频范围内得到分布在不同频段内的分解系列，在时域和频域均具有局部化的分析功能，特别是小波包分解可对信号的低频部分和高频部分同样实施分解，并可一直进行下去，在高频部分和低频部分都可达到很精细的程度，这样就可以根据需要选取不同大小的包来复原包含叶片裂纹故障信息的原始信号频段序列进行诊
断。
    1 实验

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    旋转机械由转动部件和非转动部件构成，转子是设备的核心部件，它通过轴承支承在轴承座及机壳或基础之上，构成了转子一支承系统。根据旋转机械这一结构特点，设计旋转机械振动监测实验台如图1所示。

    考虑到旋转机械一般转速较高，承载较大，选用滑动轴承支撑，通过联轴器将转子轴和电机轴联结，由电机输入动力，转速可调。考虑到传感器的合理安装以及信号传输线的合理布置，同时由于转子转速较高，对传感器的特性会有影响。传感器布置在滑动轴承1和2处，并采用接触式测量。主要测试点选择轴承座的水平方向和垂直方向乡且水平方向的测点正好在轴的中心高度。针对本实验生转圣转动速度较大选页率较高月叁用加速度传感器。
    实验在旋转机械振动监测实验台进行，转子转速1500r/min(25Hz)，采样频率1000Hz，采样时间1s，共采集样本200多。实验在故障预知的情况下进行，以正常状态信号为参照样本，对转子有裂纹(转轴与叶片焊接处裂纹)运行状态振动信号进行采样，提取故障特征，进行模式识别。
    2 转子叶片裂纹扩展故障的识别分析

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    现应用小波包分析技术对采集到的振动信号从低频到高频作4尺度小波分解。图2～图4分别为从实验台上采集的振动信号的小波包分析谱、信号的小波包分解第13频段细化图、信号第13频段小波重构波形。

    比较图2(a)和(b)知道，从A1至A16对应的频带分别为[0，31.25)Hz，[31.25，62.5)Hz，[62.5，93. 75)Hz，[125，156.25)Hz，[156.25，187.5)Hz，[187.5，218.75)Hz， [218.75，250)Hz，[250，281.25)Hz，[281.25，312.5)Hz，[312.5，343.75)Hz，[343.75，375)Hz，[375，406.25)Hz，[406.25，437.5)Hz，[437.5，468.75)Hz，[468.75，5OO)Hz。比较两图可以看出：从第9频带(A9)开始，有叶片裂纹故障的振动信号的小波包分解系数大于正常信号的小波包分解系数，这说明有叶片裂纹故障的振动信号中含有高频冲击部分。从理论上讲，当叶片出现裂纹时，其轴向振动在裂纹处间断，振动信号应为稳态分量和瞬态分量的叠加，即这部分瞬态分量预示着结构有损伤产生。
    比较图3正常状态和20mm叶片裂纹故障知道，正常状态振动信号第13频带的小波包分解系数几乎为0，而故障状态振动信号第13频带的小波包分解系数略大于正常状态小波包分解系数。比较图4(a)和(b)知道，从重构波形就可以看出：叶片产生裂纹后的振动信号幅值较正常信号的幅值略大，振动主要表现为轻微的颤动。
    比较图2～图4还知道，开始由于裂纹宽度较小，且不在转轴上(仅靠近转轴)，因此产生的振动小，对整个机组的运行不会造成大的影响甲随着裂纹宽度的增大，振动加剧，因为主要表现为颤振，所以对旋转机械运行的影响大，在实验中发现此类故障常伴有较大的轰鸣声，同时发现，当裂纹扩展到50mm时，即裂纹宽度达到叶片宽度的一半时，裂纹迅速扩张，直至叶片很快断裂。
    参考文献（略）