转轴裂纹的原因、失效机理及诊断

一、转轴裂纹诊断的意义

  1、旋转机械广泛应用于工业生产的各个部门。 在转轴发生灾难性断轴之前发现裂纹,监测裂纹扩展情况并实现合理维护,对于保障安全生产和发展国民经济具有特殊意义。

  2、石化行业的旋转机械一般转速很高,负荷大。 长期运行后,转轴容易出现横向疲劳裂纹,导致严重的断轴事故。

转轴裂纹的原因、失效机理及诊断

  二、转轴裂纹产生的原因

  轴裂纹的失效概率远低于其他故障,但轴裂纹的潜在原因有很多,例如:

  各种因素引起的应力集中

  复杂的力状态

  恶劣的工作条件和环境等。

  裂纹对振动响应不够敏感(深度为1/4直径的裂纹,轴刚度变化仅10%左右,临界速度变化仅5%左右),可能发展为断口 轴事故,危害极大。

  转轴裂纹失效机理

  轴裂纹对振动的响应与裂纹的轴向位置、裂纹的深度和受力有关。 根据裂纹所在部分的应力状态,裂纹将呈现三种不同的形式。

  1. 闭合裂缝

  当轴在压应力作用下旋转时,裂纹总是闭合的。

  例如,当转子重量较小,不平衡离心力较小,或不平衡力恰好在裂纹的另一侧时,就是这种情况。

  封闭裂纹对轴的振动影响不大,不易检测。

  2. 开裂

  当裂纹区处于拉应力状态时,轴裂纹始终处于开放状态。

  开裂会引起轴刚度的不对称,使振动具有非线性特性,并伴有等高频分量。

  随着裂纹的增长,和其他频率的振幅也增加。

  3.开合裂缝

  当裂纹区域的应力由自重或其他径向载荷产生时,轴每旋转一圈裂纹就会开合,对振动的影响更为复杂。

  理论分析表明,有裂纹转子的振动响应可以根据偏心距和重力两个影响因素考虑,然后进行线性叠加。

  由于偏心因素的影响,两个非对称刚度对应的临界速度之间会出现振动峰值; 重力因子的结果是,当速度在无裂纹轴的临界速度附近时,会出现一个更大的峰值。  .

  裂纹的张开或闭合与裂纹的初始状态、偏心率、重力大小和涡流速度有关,还与裂纹的深度有关。

  如果转子同步涡旋,裂纹将只保持一种状态,即打开或关闭,这与其初始状态有关。

  在非同步涡流的情况下,裂纹在一定条件下可能保持打开或关闭,但在正常情况下,轴每转一圈裂纹就会打开或关闭。

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