Diagnosis of crack on rotating shafts has been studied by many researchers mostly based on vibration analysis and modal testing using the various theoretical crack models, which describe the depth and location of breathing transverse crack and the resulting shaft stiffness variation. The nonlinear characteristics of breathing crack is caused by the open/close action of crack during a complete revolution of rotor, which makes it difficult to properly describe the dynamic behavior of cracked shaft. In addition, only a few experiments on detection of breathing crack has been reported because of the difficulty in realization and modeling of the actual breathing cracked shaft.
This paper attempts to approximate the variation in shaft stiffness due to breathing crack using the switching crack model, which is the simplistic breathing crack model and yet represents the essential nature of the breathing crack, i.e. the opening and closing of crack. The depth and circumferential location of crack are calculated from the cross-correlation and the auto-correlation between the basis function, formed by stiffness change utilizing the switching crack model. The feasibility study on the switching crack model approximation of breathing crack is performed with the simulation models of cracked rotors. It is found that the switching crack model approximation can identify the circumferential location and depth of the theoretical open and breathing cracks with fair accuracy. Finally, experiments with a test cracked rotor are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed method in detection of the depth and circumferential location of a breathing transverse crack.
회전축의 균열을 진단하기 위해서 많은 연구자들이 연구를 진행하였다. 균열 진단을 위한 연구는 주로 균열 모형을 이용한 진동시험 이나 모드시험 등을 통한 방법들이 많이 연구 되어져 왔다. 이런 연구에 사용되는 균열 모형은 횡 방향 균열의 열림과 닫힘을 묘사하고, 깊이에 따른 강성변화를 나타낸다. 하지만 축이 회전하는 동안 균열의 열림과 닫힘의 거동으로 인한 비선형성으로 인해, 균열이 있는 축의 동적 거동을 적절히 묘사하는 모형을 만들기는 매우 어렵다. 또한 단지 개폐 균열의 검출을 위한 몇 개의 실험만이 연구 되어 졌는데, 이는 축의 실제 개폐균열을 실제적으로 모형화 하기 어렵기 때문이다.
본 논문은 균열의 열림과 닫힘으로 인한 축의 강성변화를 개폐 균열의 모형 중 가장 간단하고, 균열의 본질적 특성인 열림과 닫힘을 잘 나타내는 스위칭 균열 모형을 사용하여 근사하려 한다. 균열의 깊이와 원주상의 위치는 스위칭 균열 모형의 강성변화 형태의 기저함수와 강성변화 사이의 상호 상관함수(Cross-correlation function) 과 자기 상관함수(Autocorrelation function)를 이용하여 계산한다. 개폐균열의 스위칭균열 모형으로 근사 가능성은 균열 회전체모형의 수치예제를 통해 알아본다. 스위칭 균열 모형으로의 근사를 통해 균열의 원주상의 위치와 깊이를 확인할 수 있고, 이는 개폐균열 모형과 상당히 정확한 결과를 보였다. 마지막으로 실제 균열 회전체로 실험을 수행하여 제안된 방법이 횡 방향 개폐균열의 깊이와 원주상의 위치를 찾는데 유효성을 증명한다.
