基于能量轨迹不平衡相位向量方法的转子系统早期多裂纹参数识别

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Early multi-crack parameters identification of rotor systems based on an energy trajectory unbalance phase vector method

　　

洪章宇|春荣华|吕露梅|伊姆达德·乌拉·汗|兰晓丹|李亚东|董大伟

摘要

在长期循环载荷和腐蚀性环境下，旋转轴容易产生多处疲劳裂纹，这威胁到机械设备的运行安全。裂纹之间的耦合效应会改变转子系统的时间变化刚度，加剧非线性动态响应，使得早期裂纹的薄弱特征难以被识别。基于超谐波幅度的传统方法无法捕捉复杂的多裂纹相互作用，并且对早期裂纹的敏感度较低。本研究提出了一种能量轨迹不平衡相位向量（ETUPV）方法，用于转子系统中早期多裂纹的识别。首先，通过引入裂纹相互作用产生的额外柔韧性，建立了一个耦合多裂纹转子有限元模型（FEM）。然后，通过结合弯曲应变能量与垂直和水平振动位移来构建能量轨迹。接着，通过对能量轨迹进行三维矢量参数化，推导出新的ETUPV特征，包括矢量长度和不平衡相位角。最后，为克服具有固定相关结构的替代模型的局限性，采用基于随机森林的相关性加权方法开发了自适应权重克里金模型（AWKM），并结合NSGA-III算法来确定多裂纹的深度和位置。仿真和实验结果表明，对于深度小于0.2D的裂纹，该方法的识别准确率分别为96–98%和89–93%。所提出的方法在旋转机械的早期多裂纹故障诊断方面表现出优异的鲁棒性和巨大潜力。