專利名稱：恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于旋轉(zhuǎn)機械葉片振動的檢測方法，更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于基于葉尖定時 原理恒速條件下多傳感器任意分布的高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法。
背景技術(shù)：
葉尖定時測振技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機械實時監(jiān)測及故障診斷領(lǐng)域中占有重要地位，特別是航空發(fā) 動機、電站發(fā)電機、煙氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械的葉片振動在線監(jiān)測應(yīng)用中，對葉尖定時測振技術(shù) 提出了更高的要求，促使其向高精度、全面參數(shù)檢測方向發(fā)展。葉尖定時測振技術(shù)是一種非 接觸檢測方法，其基本原理是將葉尖定時傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)機械相對靜止的殼體上，利用傳 感器測量葉片通過時產(chǎn)生的脈沖信號來記錄葉片到來的時間，葉片到達時間t隨著葉片的振動而變化，通過一定算法對時間序列U1進行處理即可辨識出葉片振動信息。由于葉尖定時測振技術(shù)屬于一種嚴重欠采樣方法，辨識葉片振動信息相對困難。針對葉片異步振動己提出并 研究了差頻法、三均布、五均布、延時采樣等多種檢測方法。葉片同步振動頻率與轉(zhuǎn)速成整 數(shù)倍關(guān)系，從而增加了同步振動信息辨識難度，目前已被研究的同步振動檢測方法主要有速 矢端跡法、雙參數(shù)法、二等夾角法等等。以上同步振動檢測方法需要以旋轉(zhuǎn)機械勻變速運行 為前提條件，具有一定的局限性。實際中旋轉(zhuǎn)機械正常運行時為恒速運行，為滿足實時在線 監(jiān)測的需要，有待研究一種恒速下葉片同步振動檢測方法。發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的前述不足，解決恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測以勻變速運行 為前提條件的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法， 滿足實時在線監(jiān)測的需要。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法，包括下列步驟 基于葉尖定時測振原理，將葉尖定時傳感器檢測到的某一葉片同步振動位移乂表示為=^sin(iVea,+A) + C (/=0、 1、 2…) (1) /表示不同葉尖定時傳感器編號，",為不同葉尖定時傳感器相對0號葉尖定時傳感器的安裝夾角，編號為0的葉尖定時傳感器安裝夾角"。=0， ^為0號葉尖定時傳感器測得葉片的振動相位，^為葉片同步振動幅值，C為振動常偏量；選取包含葉片實際共振倍頻7Ve的一段倍頻遍歷范圍，把葉尖定時傳感器實際安裝夾角 和所選倍頻A^代入公式(1)，構(gòu)成超定方程組，由最小二乘方法解出不同倍頻對應(yīng)多傳感器 理論測得的振動位移；將計算出的振動位移與實際測量的振動位移進行比較，求得兩者間誤差的方和根，倍頻 遍歷過程中使得前述誤差方和根取最小值的倍頻iV^為葉片實際振動的倍頻值，即iVe=A^，從而葉片固有頻率/ = 乂._/;。， /w為恒速下頻率平均值。在葉片轉(zhuǎn)子恒速運行條件下，將葉尖定時傳感器和轉(zhuǎn)速同步傳感器測得信號經(jīng)過處理模 塊和采集模塊提取所有葉片通過同步共振區(qū)時的振動信息，再在計算機中采用處理算法處理 后得到測量結(jié)果。所述的傳感器間安裝夾角ai是，通過傳感器分布優(yōu)化方法，根據(jù)同步振動預(yù)期辨識效果 的評價函數(shù)確定葉尖定時多傳感器的分布方案，即采用安裝角的平均值E(Ne)和標(biāo)準(zhǔn)差D(Ne) 兩個評價函數(shù)對安裝方案進行評估，確定傳感器安裝夾角和數(shù)量。所述的倍頻遍歷是選取一段振動倍頻值，計算出每一倍頻值下的各傳感器理論測得振動 位移值，與各傳感器實際測量的振動位移值相比較，最相近的結(jié)果所對應(yīng)的倍頻值即為實際 振動的倍頻值。本發(fā)明提供的可以帶來如下效果本發(fā)明采用葉尖定時傳感器分布設(shè)置及倍頻遍歷過程的方法，因而不需要勻變速運動等 測量前提條件，簡化了測量過程，滿足實時在線監(jiān)測的需要。采取葉尖定時傳感器安裝夾角的平均值E (Ne〉和標(biāo)準(zhǔn)差D (Ne)兩個評價函數(shù)對測量方案進 行評估，使得測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。


圖1示出本發(fā)明的同步振動檢測方法系統(tǒng)框圖。圖2示出本發(fā)明的同步振動預(yù)期辨識效果的評價函數(shù)圖。圖3示出本發(fā)明的實施例中某傳感器測得的葉片振動位移和轉(zhuǎn)速曲線圖。圖4示出本發(fā)明的實施例中葉片所有傳感器獲得的葉片振動位移圖。圖5示出本發(fā)明的實施例中葉片共振倍頻遍歷分析圖。圖l中l(wèi)為旋轉(zhuǎn)機械機殼；2為轉(zhuǎn)子葉片；3為葉尖定時傳感器；4為轉(zhuǎn)速同步傳感器； 5為信號處理模塊；6為信號采集模塊；7為計算機處理軟件。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。在圖1中，旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子葉片2以相對恒定轉(zhuǎn)速運行，葉尖定時傳感器3和轉(zhuǎn)速同步傳 感器4測得信號經(jīng)過處理模塊5和采集模塊6能提取所有葉片通過同步共振區(qū)時的振動信息。 在計算機7中采用各種處理算法后，準(zhǔn)確辨識出葉片同步振動固有頻率fn、振動位移y、振 幅A、倍頻Ne等振動參數(shù)。旋轉(zhuǎn)機械以某一恒速運行時，若在該轉(zhuǎn)速下某葉片發(fā)生倍頻Ne的同步振動，分布在機殼l不同位置的葉尖定時傳感器檢測到的某一葉片同步振動位移y'可表示為 乂 =Jsin(A^r,+^。) + C (i=o、 1、 2…) (1)其中，i表示不同葉尖定時傳感器編號；"'為不同傳感器相對0號傳感器的安裝夾角 ("o^G); A為o號傳感器測得葉片的振動相位；A為葉片同步振動幅值；C為振動常偏量。4由于葉片同步振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)倍，因此，理論上同一葉尖定時傳感器不同圈 測得同一葉片的同步振動位移值為一定值。實際由于存在異步振動和隨機干擾，取多圈位移 平均值為同步振動位移值。得到不同傳感器測得不同的振動位移值后，采用遍歷方法即可準(zhǔn) 確獲得葉片共振倍頻Ne、固有頻率fn等參數(shù)。選取包含葉片實際共振倍頻Ne的一段倍頻遍歷范圍(NerNe2)，把感器實際安裝夾角a i 和所選倍頻Nej代入公式(1)，構(gòu)成超定方程組，可解出不同倍頻NejE(Nel Ne2)對應(yīng)不同組多傳感器理論測得的振動位移^ 。將計算出的振動位移與實際測量的振動位移進行比較， 求得兩者差值的方和根。倍頻遍歷過程中使得誤差方和根取最小的倍頻Nek為葉片實際振動的倍頻值，即N^Nek。從而葉片固有頻率/"=乂',0。下面是基于葉尖定時原理恒速下任意分布葉片同歩振動檢測方法的實施例。 某型號設(shè)備旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)計固有頻率在1800Hz附近，預(yù)計在9000rpm轉(zhuǎn)速附近將產(chǎn)生12 倍頻的同步共振。該設(shè)備對傳感器安裝角度及數(shù)量限制不高，優(yōu)化設(shè)計傳感器分布，依次相 對TPO傳感器的安裝夾角為0° 、 17.5° 、 35° 、 52.5° 、 72° 、 120° 、 216。 、 240° 、 244° 。在圖2中采用安裝角的平均值E(Ne)和標(biāo)準(zhǔn)差D(Ne)兩個評價函數(shù)對安裝方案進行了 評估，在12倍頻處同時滿足相對較大的平均值E(Ne)和較小的標(biāo)準(zhǔn)差D(Ne)，故認為此分布 方案可較好地辨識出該倍頻處的同步共振。式(1)可以寫成-乂 = Jsin(乂or,)cos^) +爿cos(乂a,)sin^)+C 丄 2".6) (2)因此，7支傳感器振動位移方程構(gòu)成超定方程組乂 = ^ cos(7V^ ) sin -0 + sin(A^a，) cos -0 + C _y2 = Jcos(A^a2)sin-0 + Jsin(A^"2)cos^0 +C -y3 = j cos(A^y"3) sin 0O +爿sin(A^"3) cos -0 + C y4 = j cos( "4) sin -0 + ^ sin( 乂"4) cos #0 + C y5 =爿cos( A^or5) sin 0O +爿sin( 乂"5) cos #0 + C y6 = ^ cos( "6) sin ^0 + J sin(A^a6) cos -0 + C分別令(3)V爿sin 0Oj COS 0O-X3 —C(4)5 =1cos(A^ar,) cos(A^"2) cos(A^"3) cos(A^ 4) cos(iV^ 5) cos(A^"6)0sin(A^a,) sin(Wrfa2) sin(A^rfa3) sin(Wrf 4) sin(A^a5) sin(Wrfa6)(5)<formula>formula see original document page 6</formula>
則方程組(3)式可寫成:
采用最小二乘法求解。選取一定范圍的N e依次遍歷求式(7)的最小二乘解:
再把(8)式代入原方程組，求振動位移誤差為
In表示振動位移計算值與測得值的接近程度。若所選倍頻遍歷范圍包括實際倍頻值，則 當(dāng)In取最小值時說對應(yīng)的遍歷倍頻值即為真實倍頻值。
在圖3中，可以觀察到部分圈數(shù)某傳感器測得的某葉片振動位移值以及對應(yīng)的葉片轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速連續(xù)變化曲線。在圖4中，得到了 7支傳感器實際測得的振動位移值，將其代入(9)式， 選取倍頻遍歷范圍(廣25)進行遍歷。在圖5中，可以觀察每個倍頻遍歷所對應(yīng)的振動位移 誤差方和根大小，顯然當(dāng)遍歷倍頻值為12時，誤差方和根取最小值0.00539。因此，可判斷 該恒速下發(fā)生倍頻Ne=12的同步共振。此時轉(zhuǎn)速頻率平均值為fr=151.49Hz,則同歩振動固
有頻率fr^NeXfrl2X 151. 49=1817. 88Hz。由(4)式可知振幅^ = V々+^ ，由此可求得同 步振動幅值為0. 0326ram。
權(quán)利要求
1.一種恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法，其特征是，包括下列步驟基于葉尖定時測振原理，將葉尖定時傳感器檢測到的某一葉片同步振動位移yi表示為yi＝Asin(Neαi+φ0)+C(i＝0、1、2…) (1)i表示不同葉尖定時傳感器編號，αi為不同葉尖定時傳感器相對0號葉尖定時傳感器的安裝夾角，編號為0的葉尖定時傳感器安裝夾角α0＝0，φ0為0號葉尖定時傳感器測得葉片的振動相位，A為葉片同步振動幅值，C為振動常偏量；選取包含葉片實際共振倍頻Ne的一段倍頻遍歷范圍，把葉尖定時傳感器實際安裝夾角αi和所選倍頻Nej代入公式(1)，構(gòu)成超定方程組，由最小二乘方法解出不同倍頻對應(yīng)多傳感器理論測得的振動位移；將計算出的振動位移與實際測量的振動位移進行比較，求得兩者間誤差的方和根，倍頻遍歷過程中使得前述誤差方和根取最小值的倍頻Nek為葉片實際振動的倍頻值，即Ne＝Nek，從而葉片固有頻率fn＝Ne·fr0，fr0為恒速下頻率平均值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種恒速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同歩振動參數(shù)檢測方法，其特征是，在葉 片轉(zhuǎn)子恒速運行條件下，將葉尖定時傳感器和轉(zhuǎn)速同步傳感器測得信號經(jīng)過處理模塊和采 集模塊提取所有葉片通過同步共振區(qū)時的振動信息，再在計算機中采用處理算法處理后得 到測量結(jié)果。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變速下高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法，其特征是，所述 的傳感器間安裝夾角oti是，通過傳感器分布優(yōu)化方法，根據(jù)同步振動預(yù)期辨識效果的評 價函數(shù)確定葉尖定時多傳感器的分布方案，即采用安裝角的平均值E(Ne)和標(biāo)準(zhǔn)差D(Ne) 兩個評價函數(shù)對安裝方案進行評估，確定傳感器安裝夾角和數(shù)量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倍頻遍歷，其特征在于，所述的倍頻遍歷是選取一段振動倍頻值， 計算出每一倍頻值下的各傳感器理論測得振動位移值，與各傳感器實際測量的振動位移值 相比較，最相近的結(jié)果所對應(yīng)的倍頻值即為實際振動的倍頻值。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于旋轉(zhuǎn)機械葉片振動的檢測方法，具體講涉及高速旋轉(zhuǎn)葉片同步振動參數(shù)檢測方法。為解決以勻變速運行為前提條件的局限性，滿足實時在線監(jiān)測的需要，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于葉尖定時測振原理，將葉尖定時傳感器檢測到的某一葉片同步振動位移y_i表示為y_i＝Asin(N_eα_i+φ₀)+C(i＝0、1、2…)，選取包含葉片實際共振倍頻N_e的一段倍頻遍歷范圍，把葉尖定時傳感器實際安裝夾角α_i和所選倍頻N_ej代入公式，由最小二乘方法解出不同倍頻對應(yīng)多傳感器理論測得的振動位移；計算出的振動位移與實際測量的兩者間誤差的方和根，倍頻遍歷過程中使得前述誤差方和根取最小值的倍頻為葉片實際振動的倍頻值。本發(fā)明主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械葉片振動的檢測方法。
文檔編號G01H13/00GK101629846SQ20091007000
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者孔祥洪, 李孟麟, 歐陽濤, 段發(fā)階 申請人:天津大學(xué)