轴结构件损伤状况的模态试验

　　1　前言

　　轴结构件损伤状况的监测是机械故障诊断、疲劳试验等学科亟待解决的问题之一。近年来国内外一些工程技术人员对裂纹转轴的振动特性及用振动参数监测裂纹进行了研究,尤其是在研究大型裂纹转子和旋转轴系振动特性方面作了大量工作,但大都为定性分析.基于机械模态分析,在前人工作的基础上本文探索用试验模态参数识别轴结构件损伤状况。

　　2　试验模态分析

　　2.1　测试系统

　　为了在试验中找出轴结构件各阶固有频率与其损伤状况的关系,用脉冲激励法(如图1)找出轴结构件各阶固有频率随裂纹位置和深度变化的规律。

　　2.2　裂纹位置和深度识别

　　为了便于分析,采用固有频率相对变化率(RFV)为纵坐标,分别以频率的阶数N和裂纹深度a为横坐标,将试验结果绘制成RFV—N图和RFV—a图。由于对不同位置和深度的裂纹,其固有频率相对变化率的形状及变化趋势是不同的,当裂纹位置不变,裂纹越深,固有频率相对变化率RFV值越大,但其变化趋势不变。为此,根据RFV—N和RFV—a图的变化情况就可识别轴结构件的裂纹位置和深度。

　　2.3试验过程

　　为了有效方便地检测出轴结构件不同位置和深度的裂纹变化的固有频率,采用固定———自由端约束,其固定端用底座重量远远大于试件的重量。采用脉冲激振法,用带有力传感器的手锤在试件上激振,由于只要求出传递函数的矩阵元素中的一行或一列即可计算出传递函数的全部元素,进而求得结构件的动态特性固有频率和振型模态。为此选择多点激振、一点拾振进行试验测试。以48×3·5,L=651mm的水煤气管为例(如图2),沿长度方向均匀划分七个单元,激振点为七个单元的各节点处,响应点固定在节点7上以便得到较大的信号。先测出各试件无裂纹的固有频率,然后在试件相应位置人为地切割出相应深度的裂纹,测出有裂纹的固有频率。裂纹的位置分别取在各单元的中点,x= 0·071, 0·214, 0·357, 0·50, 0·643, 0·786,0·929。深度分别取y= 0·0208, 0·1042, 0·1875,0·2708。若一根试件只切割出一条裂纹,则做完一组试验至少需要28根试件。试验结果如表1及图3、图4~图10和图11所示。

　　2.4　试验结果分析

　　2·4·1　裂纹位置的识别

　　管轴的RFV随裂纹轴向位置变化的情况如图3所示。图3中横坐标代表裂纹所在单元位置。由图3可见,随着裂纹从固定端向自由端移动, RFV逐渐减少,尤其是一阶模态,在自由端变得很小。裂纹越深,递减的速度越快。因此在识别自由端附近的裂纹时,其精度将受影响。

　　每个裂纹位置对应的RFV与阶数N的关系如图4~图10所示。七个单元的裂纹位置对应有七个不同的图型。根据实测的RFV关系图,就可以判断裂纹所在的轴向位置。对于划分七个单元的管轴,位置识别的最大误差为±7·14%。