A new vibroacoustic method for shaft crack detection

Abstract

Various excitation techniques have been developed to extract information on dynamic state of rotating machinery. This paper will address the effectiveness of selected excitations and analysed signals towards health monitoring of rotating machines from the shaft crack point of view. The computer simulation study is based on the uncracked and cracked Jeffcott rotor models and the efficiency of the selected approaches is examined. As the excitation we have considered the rotor unbalance, additional harmonic forces, and input conditions. The combined resonances as diagnostic indicators of the cracked shaft are good seen in the total frequency spectrum in the case when we consider the difference between the spectra of cracked and uncracked shaft. We have also introduced a new model of the rotor which allows us to use different method of signal processing for the crack detection and the evaluation of its deep. So more, in such model we can take into account the number of excitation planes and directions of the applied forces, the choice of the analysed signals (e.g. transient, steady-state).

Pękanie wału prowadzi do asymetrii jego sztywności. Według modelu pękania Mayesa sztywność zmienia się w sposób kosinusoidalny. Tego typu wymuszenie parametryczne prowadzi do kombinowanych rezonansów. Większość autorów badą zachowanie się dynamiczne wirnika w otoczeniu takiego rezonansu. W niniejszym artykule do badań diagnostycznych przyjęto model Jeffcotta dynamiki wirnika. Wyprowadzono równania ruchu uszkodzonego i nieuszkodzonego wału. Analizę drgań tego nieliniowego modelu przeprowadzono z wykorzystaniem metody małego parametru. Zaproponowano podejście transmitancyjne do modelowania uszkodzenia. Przeanalizowano możliwość pobudzania drgań maszyny z wykorzystywaniem różnych typów sygnałów. Z wielu możliwych rozwiązań prowadzących do uzyskania informacji diagnostycznej wybrano do dalszych badań model reprezentowany przez funkcję odpowiedzi częstotliwościowej. Różnica pomiędzy dynamiką uszkodzonego i nieuszkodzonego wirnika została użyta do uwypuklenia pików rezonansów kombinowanych w widmie drganiowym. Na bazie tych wymuszeń określono symptomy, z wykorzystaniem których można budować wskaźniki diagnostyczne. Rozważania analityczne poparto badaniami symulacyjnymi.