多尺度竞争下的耦合故障转子裂纹动态扩展机理及剩余使用寿命预测研究

Rotor crack is one of the most dangerous faults in rotating equipment, which makes the crack dynamic diagnosis and prediction in rotors quite important. Focusing on the key problem in remaining useful life prediction (RUL) of cracked rotors in rotating machines, researches are carried out for a general crack-unbalance-misalignment coupling fault rotor about its crack dynamic propagating rules under the multi-scale competing behaviors, and methods for its incipient crack parameters identification. Firstly, the construction of a multi-time scale crack model is studied by a surrogate modelling technique considering the coupling between the fast rotor dynamics and the slow crack propagating behaviour, and then the crack dynamic propagating rules in coupling fault rotors are investigated under the competition between the fast and slow behaviours. Secondly, based on the study of influence rules of unbalance and misalignment faults on the time varying stiffness characteristics of cracked rotors, a multivariate synchro-squeezing transform method is proposed to realize the time varying stiffness feature extraction and to enhance the weak features for incipient cracks. Afterwards, a crack identification method is put forward by utilizing the extracted sensitive features based on the Kriging surrogate model. Finally, the RUL is predicted by combining the identified crack parameters and the crack dynamic propagating rules. The research can provide efficient theories and methods for health monitoring of cracked rotors, and is of great significance for the safe and reliable operation of the key rotating equipment.

转子裂纹是旋转设备中最危险的故障，对其开展动态诊断和预测非常重要。项目针对裂纹转子剩余寿命预测中的关键问题，以裂纹、不平衡及不对中耦合故障转子系统为研究对象，围绕多尺度竞争下的耦合故障转子裂纹动态扩展规律以及早期裂纹参数识别开展研究。首先，利用代理模型技术，研究考虑转子动力学行为与裂纹扩展行为快慢变耦合的多时间尺度裂纹建模方法，进而研究耦合故障转子多尺度竞争下的裂纹动态扩展规律；其次，在不平衡与不对中故障对转子裂纹时变刚度特性影响规律研究的基础上，提出基于多元同步压缩变换的裂纹时变刚度特征提取及早期裂纹特征强化方法；进一步，利用提取的多传感器敏感特征，提出基于Kriging代理模型的早期裂纹参数识别方法；最后，基于早期裂纹诊断结果及裂纹动态扩展规律，实现裂纹转子的剩余使用寿命动态预测。本研究可为裂纹转子健康监测提供理论和方法，对保障关键旋转设备的安全可靠运行具有重要的意义。

转子裂纹、不平衡及不对中是转子系统常见的三大故障，其中转子裂纹是最危险的故障，且由于转子不平衡及不对中无法彻底消除，使得裂纹发生时往往还伴随着不平衡及不对中故障。在多故障共存的情况下，由于故障间的耦合作用，转子系统动力学行为更为复杂，使原本微弱的早期故障特征更难提取，导致早期裂纹诊断更困难。. 项目针对耦合故障转子系统，首先基于有限元方法，采用Timoshenko梁单元建立了无裂纹转子—轴承系统有限元模型；基于线性断裂力学应变能量释放率理论推导了裂纹单元刚度矩阵；通过集成无裂纹及裂纹单元建立了裂纹转子—轴承系统有限元模型；基于应力强度因子为零法，对转子裂纹呼吸作用进行模拟及改进；通过不对中反作用力模拟联轴器不对中；通过与现有文献、大型商用软件以及实验测试结果对比，验证了建模方法及求解的正确性。. 其次，基于建立的耦合故障转子动力学模型，采用全谱及短时全谱方法，分别研究了不对中、裂纹及不对中-裂纹耦合故障下的全谱特性。进而，基于耦合故障转子全谱特性，提出了基于涡动幅值比特征的耦合故障的转子裂纹定量检测方法。. 最后，针对运行状态下的耦合故障转子裂纹定位尤其是多裂纹定位的难题，利用呼吸裂纹超谐非线性行为，从多传感器时空信息融合的角度出发，研究在未知健康转子模型信息的情况下，实现多裂纹定位的方法。考虑实际转子中阶梯引起的局部刚度降低对裂纹定位的干扰，通过频域奇异值分解提取了只对裂纹敏感的超谐特征变形形状，提出了基于超谐特征变形形状的多裂纹定位方法。为了提高定位方法的鲁棒性，提出了基于多尺度贝叶斯信息融合以及多尺度自适应D-S证据融合的裂纹定位方法。提出了多元高阶动力学模式分解驱动的裂纹定位方法，通过自适应提取裂纹引起的非线性动力学模式，利用裂纹处的动力学模式畸变实现了耦合故障下的多裂纹转子定位。. 项目相关研究及成果可为旋转设备状态监测系统的开发提供理论支撑和方法参考，具有重要的理论及工程价值。