本發(fā)明涉及一種通風(fēng)機(jī)葉片裂紋的識別方法，屬于設(shè)備故障診斷領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明是一種通風(fēng)機(jī)葉片裂紋位置和深度的定量判定方法。

背景技術(shù)：

通風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械?，F(xiàn)代通風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻，鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)，空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)，谷物的烘干和選送，風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)等，且有著噪音低、風(fēng)量大、效率高、風(fēng)壓穩(wěn)定等特性。

葉片作為通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件,承受離心力、流體動(dòng)力、振動(dòng)、溫差、介質(zhì)等的綜合作用?，F(xiàn)今，通風(fēng)機(jī)正朝著重載化、高速化、輕型化方向發(fā)展，使葉片工作長度和工作參數(shù)不斷提高，工作條件越來越嚴(yán)酷，導(dǎo)致葉片容易發(fā)生故障，而葉片故障引起的事故往往是災(zāi)難性的，會(huì)造成巨大的損失。如何以簡單的方法和較高的準(zhǔn)確率診斷葉片故障，是困擾國內(nèi)外設(shè)備故障診斷工程界和學(xué)術(shù)界的難題。這就促使了葉片狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展，使其成為葉輪機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測的重要組成部分。

由于應(yīng)力集中、疲勞作用等引起的葉片裂紋會(huì)對整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。葉片裂紋故障不僅影響通風(fēng)機(jī)的正常工作，未能被診斷出的裂紋還會(huì)在橫向振動(dòng)的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，引發(fā)葉片斷裂或斷葉甩出等重大安全隱患。因此進(jìn)行通風(fēng)機(jī)葉片裂紋故障診斷方法的研究，及時(shí)獲知裂紋的位置深度等故障信息，可在裂紋擴(kuò)展前對故障葉片進(jìn)行維修或更換，以免引發(fā)重大安全事故，具有巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在提出一種通風(fēng)機(jī)葉片裂紋的識別方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)機(jī)葉片裂紋故障的定量分析，即判定裂紋的位置與深度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于小波分析的葉片裂紋位置及深度識別方法，首先，通過測試系統(tǒng)獲取故障葉片的基本振型位移參數(shù)即位移值。測試過程為離線測試模式。測試系統(tǒng)由傳感器部分、激勵(lì)部分、數(shù)據(jù)采集與分析部分組成，傳感器部分通過激勵(lì)部分與數(shù)據(jù)采集與分析部分進(jìn)行連接。其中，傳感器部分為壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器；激勵(lì)部分為激振器或沖擊錘裝置；數(shù)據(jù)采集與分析部分要針對錘擊、環(huán)境激勵(lì)識別方法的不同，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用軟件。包括傳函分析、參數(shù)選擇、輸入幾何結(jié)構(gòu)及約束信息、模態(tài)擬合和振型編輯，最后獲得位移模態(tài)參數(shù)。

其次，將振型數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab軟件中，利用matlab中的小波函數(shù)工具箱選取小波基對振型數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)圖。橫坐標(biāo)的值為0至葉片總長度為l，縱坐標(biāo)的值為小波變換系數(shù)。從小波變換系數(shù)圖中能夠看出各尺度上裂紋截面處小波系數(shù)為極大值，由此判定裂紋位置。對于某個(gè)特定尺度，其小波系數(shù)模極大值對裂紋位置的顯示會(huì)更為清晰。因此需要對振型數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度小波變換，選取對應(yīng)尺度使裂紋位置的判定更加準(zhǔn)確。

利用小波變換實(shí)現(xiàn)對裂紋位置的判定實(shí)際上是一個(gè)識別奇異點(diǎn)的過程。用于奇異性檢測的小波不同于一般的正交小波，它是從光滑函數(shù)得到的。選擇某光滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為小波函數(shù)，即：

其中，θ(t)為裂紋位置判定的光滑函數(shù)，ψ(t)為光滑函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。θ(t)滿足且為1/(1+t²)的高階無窮小，同時(shí)記：

θa(t)＝aθ(t/a)

則

其中，a為小波變換的尺度。此時(shí)，根據(jù)小波變換卷積形式的定義得到：

其中，x(t)為待測信號，wx(a,t)為待測信號進(jìn)行小波變換之后得到的函數(shù)。這種卷積型的小波變換wx(a,t)可以看成是信號x(t)通過沖激響應(yīng)為ψa(t)的系統(tǒng)后的輸出。

由此可知，對信號進(jìn)行小波變換后求導(dǎo),相當(dāng)于用小波函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)對信號進(jìn)行小波變換。wx(a,t)與x(t)經(jīng)θ(t)平滑后的導(dǎo)數(shù)成正比。對于某一尺度a,小波變換模極大值|wx(a,t)|對應(yīng)于x*θa(t)的拐點(diǎn)，即x(t)的突變點(diǎn)。其中，|wx(a,t)|的意義為：若在尺度a下，在x上有一過零點(diǎn)，則稱|wx(a,t)|為小波變換模極大值。對信號進(jìn)行多尺度分析時(shí),如果選用某一光滑函數(shù)的一、二階導(dǎo)數(shù)作為小波函數(shù)，那么，在信號突變點(diǎn)處，小波變換系數(shù)具有模極大值，因此，可通過檢測小波系數(shù)模極大值點(diǎn)的位置來確定奇異點(diǎn)的位置。

最后，各尺度裂紋處的小波系數(shù)模極大值對數(shù)與尺度對數(shù)的擬合直線的斜率值與裂紋深度值呈線性關(guān)系，通過該線性方程與斜率值實(shí)現(xiàn)對裂紋深度的定量評定。

通過matlab編程繪制小波系數(shù)模極大值wf與尺度值s的函數(shù)圖看出兩者呈曲線關(guān)系。如果將wf與s分別取對數(shù)，以lgs為橫坐標(biāo),lg|wf|為縱坐標(biāo)繪制函數(shù)圖，則兩者的關(guān)系近似為一條直線，即多尺度上的小波系數(shù)模極大值與尺度基本呈對數(shù)線性關(guān)系。通過曲線擬合得到兩者關(guān)系曲線的線性方程，由線性方程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)判定擬合直線的有效性，得到有效擬合直線的斜率k。進(jìn)一步的，以k為縱坐標(biāo)，以裂紋深度值h為橫坐標(biāo)繪制函數(shù)圖，看出k與h呈線性關(guān)系，k與h的線性方程即為判定依據(jù)，k值是通過計(jì)算得到的已知量，根據(jù)k與h的函數(shù)關(guān)系式，可求得h的值，由此判定裂紋深度。

另外，值得一提的是，當(dāng)選用不同的小波來獲取k值時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)有些不同。若采用某種小波得到的k值越接近零，則說明該小波的檢測效果越好。這種方法可以作為選擇小波基的依據(jù)。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對葉片裂紋位置及深度的定量判定，具有以下特點(diǎn)：

(1)通過對故障葉片的振型數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)男〔ㄗ儞Q即可識別出裂紋的位置與深度，與其他常規(guī)方法相比，不需要正常葉片的動(dòng)力特性數(shù)據(jù)；

(2)本方法不僅能對葉片裂紋進(jìn)行及時(shí)診斷，還能得到裂紋位置及深度的定量數(shù)據(jù)；

(3)與其他方法相比，本方法操作起來更加簡單，且保證一定的準(zhǔn)確率。

附圖說明

圖1葉片裂紋位置及深度診斷流程圖。

圖2基本振型數(shù)據(jù)曲線示意圖。

圖3小波系數(shù)示意圖。

圖4小波系數(shù)模極大值對數(shù)與尺度對數(shù)的關(guān)系曲線示意圖。

圖5有效擬合直線斜率與裂紋深度的關(guān)系曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，并不能夠限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

如圖1所示，本方法的具體實(shí)施方式如下：

(1)獲取振型數(shù)據(jù)

通過測試系統(tǒng)獲取故障葉片的基本振型位移參數(shù)(即位移值)。

(2)判定裂紋位置

選取合適的小波基對振型數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)圖。對于某個(gè)特定尺度，其小波系數(shù)模極大值對裂紋位置的顯示會(huì)更為清晰。選取合適尺度下的小波系數(shù)圖作為判定依據(jù)，由小波系數(shù)模極大值判定葉片裂紋的位置。

(3)判定裂紋深度

將上一步中多尺度下裂紋處的小波系數(shù)模極大值wf和尺度值s分別取對數(shù)，以lgs為橫坐標(biāo),lg|wf|為縱坐標(biāo)繪制函數(shù)曲線，通過曲線擬合得到線性方程，由線性方程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)判定擬合直線的有效性，得到有效擬合直線的斜率k。繪制k與裂紋深度h之間的線性關(guān)系圖，從而實(shí)現(xiàn)對裂紋深度的定量評定。