CN103592220A - 一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法，包括以下步骤：(1)利用标准模态测试分别得到鼓风机叶轮的一阶与二阶模态振型数据序列；(2)计算分形维数与曲率振型，得到一、二阶分形维数裂纹指示曲线与一、二阶曲率振型裂纹指示曲线；(3)形成一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图；(4)统计各图中孤立点的出现频次，根据孤立点出现频次的统计结果，判定孤立点代表的测点处是否出现裂纹，其中，所述孤立点是指距原点距离最大的点。本发明实现了多种裂纹识别指标间的信息融合，克服了单一指标评价片面的缺点。

Description

一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法

技术领域

本发明属结构动力学无损检测领域，具体涉及一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法。

背景技术

鼓风机是一种常见的过程工程生产装备，在冶金、石化、煤炭、空气分离、污水处理、生物制药以及发电等多个行业中发挥着不同的作用。根据其工作原理，一般可将鼓风机分为轴流式、离心式与贯流式三类。在轴流式风机中，气流沿平行旋转轴方向流入叶轮，被旋转叶轮加压以后，仍然沿平行旋转轴方向流出叶轮，通过下游的扩压器收集，排出；在离心式风机中，气流沿平行旋转轴的方向流入叶轮，被高速旋转的叶轮沿垂直旋转轴的方向甩出，通过蜗壳的收集，从出口排出；在贯流式风机中，气流沿垂直旋转轴方向流入叶轮，穿过叶轮以后，仍然沿垂直旋转轴方向流出。因工作条件相对恶劣，如温度梯度大、湿度大等因素的影响，鼓风机叶轮裂纹故障频发，直接影响到了鼓风机的正常使用及使用者的生命财产安全。使用传统无损检测技术开展鼓风机叶轮停机在位损伤检测耗时较长，对经济效益影响较大。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法，对结构裂纹给出更快速和全面的评价。

为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法，包括以下步骤：

(1)在鼓风机叶轮每片叶片上设置测点，进行标准模态测试，分别得到鼓风机叶轮的一阶与二阶模态振型数据序列；

(2)计算该模态振型数据的分形维数FD与曲率振型，得到一、二阶分形维数裂纹指示曲线与一、二阶曲率振型裂纹指示曲线；

(3)基于各测点在分形维数裂纹指示曲线和曲率振型裂纹指示曲线中的幅值，利用多元分析方法(MVA)，形成一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图。

(4)统计所述互MVA散点图和所述自MVA散点图中孤立点代表的测点的出现频次，出现频次最高且为次高频次2倍以上者认定该测点处出现裂纹，否则说明结构安全，其中，所述孤立点是指距散点图原点距离最大的点。

本发明实现了多种裂纹识别指标间的信息融合，通过多元分析的独特优势给出了对结构裂纹的更全面评价，克服了单一指标评价片面的缺点。

附图说明

参照下面的说明，结合附图，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。

图1为鼓风机叶轮模态测试测点布置图

图2为风机叶轮一、二阶振型分形维数裂纹峰值指示

图3为风机叶轮一、二阶振型曲率振型裂纹峰值指示

图4为风机叶轮一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图

图5为风机叶轮分形维数、曲率振型自MVA散点图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。

本发明提出的一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法，包括以下步骤：

(1)在鼓风机叶轮每片叶片上设置测点，进行标准模态测试，分别得到鼓风机叶轮的一阶与二阶模态振型数据序列。

标准模态测试例如力锤敲击实验、共振法测模态等。参照图1，本实施例以力锤敲击法对叶轮模态进行测试。依据一般模态测试要求搭建实验平台，在风机的10个叶片上分别设置敲击点和测试点，激励方式为力锤敲击，采用一枚加速度传感器以蜂蜡粘合方式黏贴在被测叶片上，具体测试参数可依据具体结构特点进行选取。本实例中参数设置为：采样频率设置为6400Hz，每片叶片敲击25次，采取线性平均方式减少测试噪声对频响函数测量结果的干扰。

(2)计算该模态振型数据的分形维数FD与曲率振型，得到分形维数裂纹指示曲线与曲率振型裂纹指示曲线。其中，计算前两阶振型的分形维数FD，得到一、二阶分形维数裂纹峰值指示曲线，分别如图2(a)和图2(b)所示。使用曲率模态MSC对鼓风机模态一二阶振型进行计算，得到一、二阶曲率振型裂纹指示曲线，分别如图3(a)和图3(b)所示。

具体而言，利用分形维数与曲率振型得到相应的裂纹指示曲线包括以下步骤：

a)计算分形维数：分别对一阶与二阶模态振型数据序列所占据的空间进行N×N划分，若模态振型数据序列长为整数n，则划分数N应不小于2n，从而对模态振型数据形成一组特征长度为

的最小覆盖，此时分形维数FD表示为：

$\mathrm{FD}=\underset{l\→0}{\lim }(-\frac{\log N_l}{\log l})---\left(1\right)$

式中N_l表示在N×N划分下，边长为l的正方形盒子数，通过上式即可计算出振型曲线对应的分形维数，以测点物理位置(在本实施例中，测点物理位置对应叶片编号)为横坐标，以分形维数数值为纵坐标，形成一、二阶分形维数裂纹指示曲线。

b)计算曲率振型：对一阶与二阶模态振型数据序列w，使用中心差分法计算其对应的曲率振型，测点i的曲率振型v_i表示为：

$v_i=\frac{w_{i+1}-2w_i+w_{i-1}}{h^2}---\left(2\right)$

其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离。以测点物理位置(在本实施例中，测点物理位置对应叶片编号)为横坐标，以曲率振型数值为纵坐标，从而形成一、二阶曲率振型裂纹指示曲线。

(3)基于各测点在分形维数裂纹指示曲线和曲率振型裂纹指示曲线中的幅值，利用多元分析方法(MVA)，形成一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图。

具体而言，使用多元分析对分形维数和曲率振型裂纹指示曲线进行融合。令a_i(x_fd)和a_i(x_msc)分别表示由模态振型得到的测点i分形维数幅值和曲率振型幅值序列，自变量x表示相应的测点横坐标。考虑分形维数方法与曲率振型幅值量级间的差距，为便于在线性空间内等权值的表述两个指标对于空间距离产生的影响，首先对a_i(x_fd)和a_i(x_msc)分别利用其所有测点的最大值和最小值将其归一化至区间[0，1]内，得到线性归一化幅值表达

和公式化流程为：

式中Δ表示包括i在内的所有的测点集合，max表示求最大值，min表示求最小值。散点图是信息融合与判别分析中常用的表达形式，为实现有效的融合分析，需要将以上两式整合为一个指标，记做

新的变量A_i以

做为其横坐标，做为其纵坐标。在新的裂纹判定指标

中任意测点相关的散点距原点的距离d_Ai可以直接用来表示该测点裂纹出现的概率，为了对两个指标进行区分，定义分形维数幅值表示x轴坐标，曲率振型幅值表示y坐标，得到多元分析(MVA)裂纹判定指标：

及原点距离d_Ai：

以各测点在分形维数和曲率振型裂纹指示曲线中的幅值为输入，以分形维数裂纹指示曲线幅值为横轴，曲率振型裂纹指示曲线幅值为纵轴，形成一、二阶振型分形维数-曲率振型MVA散点图，分别如图4(a)和图4(b)所示。以一、二阶模态振型的分形维数FD分别为横纵坐标形成分形维数自MVA散点图，如图5(a)所示，以一、二阶模态振型的曲率振型MSC分别为横纵坐标形成曲率振型自MVA散点图，如图5(b)所示。

(4)统计所述一、二阶振型分形维数-曲率振型MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图中孤立点的出现频次，根据孤立点出现频次的统计结果，判定孤立点代表的测点处是否出现裂纹，其中，所述孤立点是指距原点距离最大的点。

在本实施例中，具体判定准则为：对于出现频次最高的孤立点，若其出现频次为次高出现频次孤立点的出现频次的2倍以上，则判定该出现频次最高的孤立点所代表的测点处出现裂纹，否则判定结构安全。

【应用实例】

如图1所示的10个叶片的转子叶轮，其3号叶片存在裂纹，利用锤击法测模态，得到鼓风机叶轮的一阶与二阶模态振型。

分别计算该两阶振型的分形维数FD，得到FD裂纹峰值指示。需要说明的是，由于叶轮为环形结构，在1号叶片进行维数估计时是以10号和2号叶片作为两侧叶片进行的，而对于10号叶片的维数估计亦然。图2(a)所示的一阶模态振型的分形维数FD裂纹指示结果指出在叶片3处出现局部峰值相对应的，图2(b)所示二阶模态振型的分形维数FD裂纹指示结果则指出叶片3出现裂纹。

进一步使用曲率模态MSC对鼓风机一二阶模态振型进行计算，得到曲率模态MSC裂纹指示图如图3所示。虽对测点3处裂纹有一定指示效果，但其余测点指示曲线波动较大，指示效果并不清晰。

将分形维数FD与曲率振型MSC裂纹指示曲线幅值带入多元分析MVA中，分别以一二阶模态振型的分形维数FD与曲率振型MSC分别做为横、纵坐标得到图4所示的互MVA散点图，图中测点3距离原点距离最大，判断为孤立点。

进一步，以一二阶模态振型分形维数FD为横纵坐标形成分形维数FD自MVA散点图，如图5(a)所示，测点3表现为孤立点。而分别以一二阶模态振型的曲率模态MSC为横、纵坐标形成MSC自MVA散点图，如图5(b)所示，亦给出了相同的诊断结果。

统计互MVA散点图及自MVA散点图中孤立点出现频次，只有测点3出现4次，发现测点3为裂纹位置，不存在其它孤立点测点，因此符合出现频次最高且为次高频次2倍以上条件，认定测点3处存在裂纹，与实际相符。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种鼓风机叶轮在位裂纹检测方法，包括以下步骤：

(1)在鼓风机叶轮每片叶片上设置测点，进行标准模态测试，分别得到鼓风机叶轮的一阶与二阶模态振型数据序列；

(2)计算该模态振型数据的分形维数FD与曲率振型，得到一、二阶分形维数裂纹指示曲线与一、二阶曲率振型裂纹指示曲线；

(3)基于各测点在分形维数裂纹指示曲线和曲率振型裂纹指示曲线中的幅值，利用多元分析方法(MVA)，形成一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图；

(4)统计所述一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图、分形维数自MVA散点图和曲率振型自MVA散点图中孤立点的出现频次，根据孤立点出现频次的统计结果，判定孤立点代表的测点处是否出现裂纹，其中，所述孤立点是指距原点距离最大的点。

2.根据权利要求1所述的检测，其中，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

a)分别对一阶与二阶模态振型数据序列所占据的空间进行N×N划分，若模态振型数据序列长为整数n，则划分数N应不小于2n，计算分形维数FD：

$\mathrm{FD}=\underset{l\→0}{\lim }(-\frac{\log N_l}{\log l})---\left(1\right)$

式中N_l表示在N×N划分下，边长为l的正方形盒子数，以测点物理位置为横坐标，以分形维数数值为纵坐标，形成一、二阶分形维数裂纹指示曲线；

b)对一阶与二阶模态振型数据序列w，使用中心差分法计算其对应的曲率振型，测点i的曲率振型v_i表示为：

$v_i=\frac{w_{i+1}-2w_i+w_{i-1}}{h^2}---\left(2\right)$

其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离，以测点物理位置为横坐标，以曲率振型数值为纵坐标，从而形成一、二阶曲率振型裂纹指示曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(3)具体为：

以各测点在分形维数裂纹指示曲线和曲率振型裂纹指示曲线中的幅值为输入，以分形维数裂纹指示曲线幅值为横轴，曲率振型裂纹指示曲线幅值为纵轴，分别形成一、二阶振型分形维数-曲率振型互MVA散点图；

以一、二阶模态振型的分形维数FD分别为横纵坐标形成分形维数自MVA散点图；

以一、二阶模态振型的曲率振型MSC分别为横纵坐标形成曲率振型自MVA散点图。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(4)中，优选的，判定准则为：对于出现频次最高的孤立点，若其出现频次为次高出现频次孤立点的出现频次的2倍以上，则判定该出现频次最高的孤立点所代表的测点处出现裂纹，否则判定结构安全。

Images