留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

裂纹拉杆转子尺寸效应机理与动力学特性研究

徐文标 王艾伦 朱卓平 廖泽雨

徐文标, 王艾伦, 朱卓平, 廖泽雨. 裂纹拉杆转子尺寸效应机理与动力学特性研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1319-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317
引用本文: 徐文标, 王艾伦, 朱卓平, 廖泽雨. 裂纹拉杆转子尺寸效应机理与动力学特性研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1319-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317
Xu Wenbiao, Wang Ailun, Zhu Zhuoping, Liao Zeyu. Study on Mechanism of Size Effect and Dynamic Characteristics of Rod-fastened Rotors with Crack[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1319-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317
Citation: Xu Wenbiao, Wang Ailun, Zhu Zhuoping, Liao Zeyu. Study on Mechanism of Size Effect and Dynamic Characteristics of Rod-fastened Rotors with Crack[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1319-1326. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317

裂纹拉杆转子尺寸效应机理与动力学特性研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180317
基金项目: 

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目 2013CB035706

国家自然科学基金项目 51175517

详细信息
    作者简介:

    徐文标(1994-), 硕士, 研究方向为复杂机电装备系统动力学、系统相似理论, xuwenbiao17@csu.edu.cn

    通讯作者:

    王艾伦, 教授, 博士生导师, walwlz@csu.edu.cn

  • 中图分类号: TK471;TH113.1

Study on Mechanism of Size Effect and Dynamic Characteristics of Rod-fastened Rotors with Crack

  • 摘要: 在利用相似规律设计不同尺寸拉杆转子时,由于尺寸变化,存在明显尺寸效应,含裂纹缺陷的转子尺度律机理尚不明确。本文基于量纲分析法,探究了裂纹扩展的尺寸效应机理。分析了不同尺寸机型,裂纹拉杆应力强度因子的分布规律与刚度变化规律;对比分析了不同尺寸机型对裂纹转子固有频率漂移现象的敏感性;最后提出了一种用拉杆预紧力的下降表征裂纹扩展过程的研究方法,通过实验比较了不同裂纹拉杆分布形式下转子固有频率的漂移现象。研究结论为拉杆转子的系列化设计与设备维护提供了理论基础。
  • 图  1  一般裂纹示意图

    图  2  原型拉杆裂纹局部视图和裂纹前缘示意图

    图  3  原型拉杆的裂纹应力强度因子K1

    图  4  原型拉杆的裂纹应力强度因子K2

    图  5  原型拉杆的裂纹应力强度因子K3

    图  6  1.3倍放大拉杆的裂纹应力强度因子K1

    图  7  2.3倍缩小拉杆的裂纹应力强度因子K1

    图  8  裂纹拉杆刚度比变化规律

    图  9  多盘拉杆转子示意图

    图  10  裂纹拉杆转子前四阶振型示意图

    图  11  原型机与缩放机型固有频率漂移

    图  12  缩放机型预测频率误差

    图  13  拉杆转子实验台

    图  14  转子拉杆标号图

    图  15  裂纹扩展过程固有频率变化图

    图  16  固有频率与裂纹拉杆分布形式对应关系

    表  1  影响裂纹扩展速率的因素

    影响裂纹尖端状态的量 影响材料属性的量 表征拉杆结构的量
    应力强度因子幅值ΔK 材料的弹性模量E 拉杆名义尺寸d
    应力比R=Kmin/Kmax 断裂韧性Kc 裂纹尖端尺寸d′
    加载频率f 泊松比υ 裂纹长度l
    加载时间t 屈服强度σy
    下载: 导出CSV

    表  2  量纲矩阵

    量纲指数 影响因素 F L T
    a1 ΔK 1 -3/2 0
    a2 R 0 0 0
    a3 f 0 0 -1
    a4 t 0 0 1
    a5 E 1 -2 0
    a6 Kc 1 -3/2 0
    a7 σy 1 2 0
    a8 l 0 1 0
    a9 d 0 1 0
    a10 d 0 1 0
    下载: 导出CSV

    表  3  拉杆转子系统量纲矩阵

    量钢指数 结构参数 F L T
    a1 E 1 -2 0
    a2 L1 0 1 0
    a3 kb1 1 -1 0
    a4 mb 1 -1 2
    a5 ρ 1 -4 2
    a6 ω 0 0 -1
    a7 F0 1 0 0
    a8 nt 0 0 0
    a9 υ 0 0 0
    a10 Rdisk 0 1 0
    a11 Rrod 0 1 0
    a12 md 1 -1 0
    a13 Ldisk 0 1 0
    a14 R1 0 1 0
    a15 kb2 1 -1 0
    下载: 导出CSV

    表  4  拉杆转子结构参数

    结构参数 原型机参数 1.3倍放大机型 2.3倍缩小机型
    轴头段质量mb/kg 1 000 2 197 82.2
    轴头段长度L1/m 1.5 1.95 0.652
    轴头段半径R1/m 0.2 0.26 0.087
    拉杆半径Rrod/m 0.08 0.104 0.035
    左轴承刚度kb1/(N·m-1) 1×108 1.3×108 0.435×108
    弹性模量E/GPa 210 210 210
    材料密度ρ/(kg·m-3) 7 800 7 800 7 800
    轮盘质量md/kg 4 200 9 227.4 345.2
    轮盘长度Ldisk/m 0.32 0.416 0.139
    轮盘半径Rdisk/m 0.75 0.975 0.326
    裂纹拉杆处界面相对刚度nt 0.8 0.8 0.8
    右轴承刚度kb2/(N·m-1) 1×108 1.3×108 0.435×108
    泊松比υ 0.3 0.3 0.3
    拉杆预紧力F0/N 1.5×106 1.95×106 0.284×106
    下载: 导出CSV

    表  5  拉杆转子预紧力与裂纹尺寸对应关系

    裂纹尺寸/mm 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
    预紧力/N 7 000 6 936 6 856 6 738 6 591 6 389
    下载: 导出CSV
  • [1] 李益民, 杨百勋, 史志刚, 等.汽轮机转子事故案例及原因分析[J].汽轮机技术, 2007, 49(1):66-69 doi: 10.3969/j.issn.1001-5884.2007.01.023

    Li Y M, Yang B X, Shi Z G, et al. Accidants cases and reasons analysis of turbine rotors[J]. Turbine Technology, 2007, 49(1):66-69(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5884.2007.01.023
    [2] 西麦林J M, 汉姆J C.美国田纳西流域管理局Gallatin电站第2号机组汽轮机转子爆炸的研究[J].左锦东, 译.大型铸锻件, 1981(2): 75-79

    West Mailing J M, Ham J C. Research on turbine rotor explosion of unit second of Gallatin hydropower station in Tennessee Basin[J]. Zuo J D, trans. Heavy Castings and Forgings, 1981(2): 75-79(in Chinese)
    [3] Gasch R. Dynamic behavior of a simple rotor with a cross-sectional crack[C]//Proceedings of Vibrations in Rotating Machinery. New York: Institution of Mechanical Engineers, 1976: 123-128
    [4] Mayes I W, Davies W G R. A method of calculating the vibrational behaviour of coupled rotating shafts containing a transverse crack[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Vibrations in Rotating Machinery. Cambridge, UK: The Institution of Mechanical Engineers, 1980: 17-27
    [5] Papadopoulos C A, Dimarogonas A D. Coupling of bending and torsional vibration of a cracked Timoshenko shaft[J]. Ingenieur-Archiv, 1987, 57(4):257-266 doi: 10.1007/BF00534404
    [6] Shaniavski A A. Quantitative fractographic analyses of fatigue crack growth in longerons of in-service helicopter rotor-blades[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1996, 19(9):1129-1141
    [7] 史进渊.核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究[J].机械工程学报, 2015, 51(22):152-158 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201522020

    Shi J Y. Study on crack propagation life under low cycle fatigue and high cycle fatigue of nuclear steam turbine rotors[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(22):152-158(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxgcxb201522020
    [8] 钱征文, 程礼.含横向裂纹的Jeffcott转子刚度分析[J].机械科学与技术, 2008, 27(10):1195-1198 doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2008.10.016

    Qian Z W, Cheng L. Stiffness analysis of a Jeffcott rotor with transverse crack[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2008, 27(10):1195-1198(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2008.10.016
    [9] 杨永锋, 任兴民, 秦卫阳, 等.单盘裂纹转子次谐波共振实验研究[J].机械科学与技术, 2008, 27(11):1397-1400 doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2008.11.031

    Yang Y F, Ren X M, Qin W Y, et al. Subharmonic resonance experiment study of a cracked Jeffcott rotor[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2008, 27(11):1397-1400(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2008.11.031
    [10] 王艾伦, 黄飞.裂纹叶片分布对失谐叶盘结构振动特性的影响[J].振动与冲击, 2011, 30(4):26-28, 94 doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2011.04.006

    Wang A L, Huang F. Effect of cracked blade distribution on vibration characteristics of a mistuned bladed disk[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(4):26-28, 94(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2011.04.006
    [11] 王艾伦, 张海彪, 李雪鹏, 等.含拉杆裂纹的组合转子性能退化机理[J].中南大学学报, 2017, 48(8):2002-2009 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201708006

    Wang A L, Zhang H B, Li X P, et al. Performance degradation mechanism of combined rotor considering crack in rod[J]. Journal of Central South University, 2017, 48(8):2002-2009(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zngydxxb201708006
    [12] Rezaeepazhand J, Simitses G J, Starnes Jr J H. Scale models for laminated cylindrical shells subjected to axial compression[J]. Composite Structures, 1996, 34(4):371-379 doi: 10.1016/0263-8223(95)00154-9
    [13] Barenblatt G I. Scaling phenomena in fatigue and fracture[J]. International Journal of Fracture, 2006, 138(1):19-35 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=40af2d8bdd91db7d3e26fa805a4e26af
    [14] 张营营.一种基于相似理论的加速试验方法及在组合转子中的应用[D].长沙: 中南大学, 2016

    Zhang Y Y. An accelerated test method based on similarity theory and its application on combined rotor[D]. Changsha: Central South University, 2016(in Chinese)
    [15] 尚德广, 王德俊.疲劳裂纹萌生尺寸的定义及其确定方法[J].机械强度, 1996, 18(2):59-62 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199600312629

    Shang D G, Wang D J. The definition and determining method of fatigue crack initiation size[J]. Journal of Mechanical Strength, 1996, 18(2):59-62(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199600312629
    [16] Papadopoulos C A, Dimarogonas A D. Coupled longitudinal and bending vibrations of a cracked shaft[J]. Acoustics, Stress, and Reliability in Design, 1988, 110(1):1-8 doi: 10.1115/1.3269474
  • 加载中
图(16) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  451
  • HTML全文浏览量:  284
  • PDF下载量:  43
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-07
  • 刊出日期:  2019-09-05

目录

    /

    返回文章
    返回