旋转叶片裂纹故障特征提取与分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230267

摘要/Abstract

摘要：

为了实现叶片裂纹故障特征提取，首先，基于Mindlin-Reissner壳单元建立含呼吸效应的裂纹叶片有限元模型，求解裂纹叶片在离心载荷与气动载荷共同作用下的动力学响应，为故障特征提取提供激励信号输入.然后，建立基于非线性输出频率响应函数的故障指标以及能量指标.最后，分析各种指标对于旋转叶片裂纹故障特征提取的有效性.结果表明，贡献率指标F_e(n)以及加权贡献率指标R_n(n)对叶片裂纹故障进行诊断时稳定性较差且不敏感，而能量指标在共振与非共振状态下均能有效提取叶片裂纹故障特征.所得结论可以为旋转叶片裂纹故障的特征提取、分析及指标筛选提供工程技术指导.

关键词: 旋转叶片, 呼吸裂纹, 故障特征提取, 能量指标, 有限元法

Abstract:

To complete the fault characteristic extraction of blade cracks， a finite element model of a cracked blade incorporating breathing effect was first established based on the Mindlin-Reissner shell element. The dynamic response of the cracked blade under the combined action of centrifugal and aerodynamic loads was solved， providing excitation signal input for fault feature extraction. Then， fault indicators based on the nonlinear output frequency response function and energy indicators were established. Finally， the effectiveness of various indicators in extracting the fault characteristics of rotating blade cracks was analyzed. The results showed that the contribution rate indicator F_e（n） and weighted contribution rate indicator R_n（n） are unstable and insensitive in diagnosing blade crack faults， whereas the energy indicator effectively extracts blade crack fault characteristics under both resonant and non-resonant state. These results provide engineering guidance for feature extraction， analysis， and indicator selection of rotating blade crack faults.

Key words: rotating blade, breathing crack, fault feature extraction, energy indicator, finite element method

中图分类号:

TH 113.1

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图/表 9

图1 裂纹叶片

Fig.1 Cracks blade

图2 第1阶共振状态下的前4阶Fe值（a）—Fe（1）；（b）—Fe（2）；（c）—Fe（3）；（d）—Fe（4）.

Fig.2 Fe values at the first 4 order in the 1st resonance state

图3 150 Hz激励频率下前4阶Fe值（a）—Fe（1）；（b）—Fe（2）；（c）—Fe（3）；（d）—Fe（4）.

Fig.3 Fe values at the first 4 orders under 150 Hz excitation frequency

图4 第1阶共振状态下不同γ的前4阶WNOFRFs值（a）—Rn（1）；（b）—Rn（2）；（c）—Rn（3）；（d）—Rn（4）.

Fig.4 WNOFRFs values at the first 4 order at different γ under the 1st resonance state

图5 第1阶共振状态下不同λ的前4阶WNOFRFs值（a）—Rn（1）；（b）—Rn（2）；（c）—Rn（3）；（d）—Rn（4）.

Fig.5 WNOFRFs values at the first 4 order at different λ under the 1st resonance state

图6 150 Hz激励频率下不同γ的前4阶WNOFRFs值（a）—Rn（1）；（b）—Rn（2）；（c）—Rn（3）；（d）—Rn（4）.

Fig.6 WNOFRFs values at the first 4 order under different γ at 150 Hz excitation frequency

图7 150 Hz激励频率下不同λ下的前4阶WNOFRFs值（a）—Rn（1）；（b）—Rn（2）；（c）—Rn（3）；（d）—Rn（4）.

Fig.7 WNOFRFs values at the first 4 orders under different λ at 150 Hz excitation frequency

表1 指标 δ 变化趋势

Table 1 Change trend of indicator δ

指标类型	数值	1阶共振频率下能量指标 δ×10^-3/J	非共振频率下能量指标 δ×10^-5/J
裂纹深度比γ	0	0	0
	0.1	0.46	0.35
	0.2	0.83	0.48
	0.3	4.31	0.85
	0.4	12.39	1.44
	0.5	20.92	3.62
裂纹位置比λ	0	0	0
	0.1	28.4	2.32
	0.2	9.80	1.23
	0.3	4.31	0.85
	0.4	1.41	0.31

表2 指标对比

Table 2 Comparison of the indicators

指标		共振状态		非共振状态		特点
指标		不同深度	不同位置	不同深度	不同位置	特点
F_e(n)	F_e(1)	×	×	√	√	适用范围小
	F_e(2)	×	×	√	√
	F_e(3)	×	×	√	√
	F_e(4)	×	×	×	×
R_n(n)	R_n(1)	×	×	√	√
	R_n(2)	×	×	√	×
	R_n(3)	×	×	×	×
	R_n(4)	×	×	×	×
能量指标δ		√	√	√	√	稳定性好、灵敏度高、适用范围广

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