CN103592365B - 一种转子裂纹快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子裂纹快速检测方法，通过转子模态曲率与波形维数形成了类新的曲率维数转子损伤指标判据，首先通过对转子进行模态测试得到转子模态振型，再对模态振型进行数值差分得到转子的曲率振型，利用波形维数方法计算曲率振型波形维数值，形成曲率维数指标；利用该指标对转子损伤特征进行分析，得到了不同位置和不同深度裂纹影响下的曲率维数裂纹指示信号；若指示信号在转子某处出现局部峰值，则认为该处出现裂纹。该方法仅需对转子现时模态进行测试即可对其进行损伤有无、损伤位置的判定，不需要与转子前期数据进行对比分析，结果快速可靠，简单易行，适用转子的快速实时健康监测。

Description

一种转子裂纹快速检测方法

技术领域

本发明涉及工件裂纹检测技术，具体涉及一种转子裂纹快速检测方法。

背景技术

传统的无损检测技术均在不同程度上难以满足工程结构损伤检测中在线、在位及所损伤检测通用性的要求，如磁粉探伤方法只能适用于铁磁性材料的表面损伤检测，荧光探伤方法仅能适用于结构件表面裂纹检测，且需在特殊光照环境中进行辨识，X射线检测设备昂贵，电磁辐射危害健康，而超声检测对工作表面要求严格，对缺陷揭示缺乏直观性，不适于表面缺陷的检测，因此以上方法均不易实现任意材料表面、内部损伤的在线在位损伤监测。而另一方面，在结构运行过程中大量存在着振动信号，诸如位移、速度、加速度、动态应力应变等，对于这些信号的测试与分析往往不会影响到结构的运转或工位，因此利用振动信号进行结构动力学无损检测具有一定意义。

目前，国内外对一般结构的动力学无损检测技术研究主要集中在建立数学模型、动力学分析等方面，其实现方法主要为使用现时结构振型与前期健康振型做差得到振型变化，继而通过振型变化程度和变化发生位置判定裂纹发生。由于结构健康数据的使用，影响了这些方法的实时性和高效性，因此在对解决实际工程中无参考数据对比的结构动力学无损检测中显得无能为力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种转子裂纹快速检测方法，不需要与结构健康数据进行对比，仅通过现时测量模态振型即对转子进行裂纹检测。

为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种转子裂纹快速检测方法，包括以下步骤：

(1)利用非接触式传感器对转子在不同转速运行状态下的位移进行逐点测试，得到各测点的转子位移数据，连接成曲线，成为运行响应振型；

(2)对运行响应振型d进行中心差分，计算转子的曲率振型w，其中，测点i的曲率振型w_i表示为：

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

其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离；

(3)计算曲率振型的波形维数，形成曲率维数曲线，即曲率维数裂纹指示曲线；

(4)分析曲率维数裂纹指示曲线的峰值，根据最高峰值、最低峰值和次高峰值之间的大小关系，判定转子是否存在裂纹，并对裂纹进行定位。

本发明的技术效果为：

1)结合曲率振型与维数形成了一种无需转子健康状态下数据作为参考的动力学无损检测方法。

2)利用曲率维数局部峰值可清晰地判断损伤位置。

3)运算实时性好，简单易行，便于现场指导在役转子的无损检测。

附图说明

图1为转子实验台布置示意图；

图2为不同转速工况下转子的曲率维数裂纹识别结果，其中图2(a)为转速1100r/min时转子的曲率维数识别结果，图2(b)为转速1500r/min时转子的曲率维数识别结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的内容作进一步详细说明：

本发明的转子裂纹快速检测方法包括以下步骤：

(1)利用非接触式传感器(电涡流位移传感器、激光测振仪等)对转子在不同转速运行状态下的位移进行逐点测试，得到各测点转子位移数据，连接成曲线，成为运行响应振型；

图1所示为本实施例中转子裂纹测试布置示意图。其中，采用Bently RK4实验台搭建Jeffcott转子系统模型，以线切割转轴做为主要裂纹识别对象进行动态测试。实验台由一个电机、两个滑动轴承，转轴(直径10mm，长560mm)，转子质量盘(质量800g，直径75mm)、转速调节器以及信号调理装置组成。采用一只电涡流位移传感器设置在垂向以进行旋转状态下的转子位移振型非接触测量，没有设置外源进行振动激励，而是利用质量盘以及转子本身微弱的不平衡量在转动状态下引起的离心力做为振动源。测试转速设置为1100r/min和1500r/min两档，均未达到转子系统本身的一阶临界转速值(2100r/min)，避免了在转子共振状态下的测试，测试方案接近转子本身的工作特点，合理可行。

(2)对运行响应振型d进行中心差分，计算转子的曲率振型w，其中，测点i的曲率振型w_i表示为：

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

其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离，d_i表示测点i的振型幅值。

(3)计算曲率振型的波形维数，形成曲率维数曲线，该曲线称为曲率维数裂纹指示曲线；

具体而言，包括以下步骤：

对曲率振型序列{w|(x_i，y_i)，i＝1，2，...，n-1，n}，借助线性变换将其正则化：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{x_i-x_{\min }}{x_{\max }-x_{\min }},{\mathrm{\η}}_i=\frac{y_i-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }},i=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(2\right)$

{w_Nor|(ξ_i，η_i)，i＝1，2，...，n-1，n}表示正则化后的序列，将序列w_Nor所占据的空间进行N×N划分，若序列长为整数n，则划分数N应不小于2n，从而对曲率振型数据形成一组特征长度为的最小覆盖，此时波形维数D_w表示为：

$D_w=\underset{N\→\∞}{\lim }\frac{\mathrm{In}\left(2(N-1)\right)\text{+In}\left(2L\right)}{\mathrm{In}\left(2(N-1)\right)}---\left(3\right)$

式中L表示波形曲线长度。曲线长度L可以由划分数N与每个正方形盒子覆盖中的微小直线长度l所计算，l则由各散点(x_i，y_i)计算距离得到，由于划分数N受到l的控制，因此写为函数形式N(l)，此时N(l)＝L/l，带入上式得到波形维数表达式：

$\mathrm{WCD}=\underset{l\→0}{\lim }\frac{\log l-\log L}{\log l}---\left(4\right)$

l在数据点中以欧氏距离进行计算。通过将转子的曲率振型作为一般曲线带入式(4)即可得到其曲率维数曲线，即为曲率维数裂纹指示曲线。

(4)分析曲率维数裂纹指示曲线的峰值，根据最高峰值、最低峰值和次高峰值之间的大小关系，判定转子是否存在裂纹，并对裂纹进行定位。

具体而言，若某测点处出现最高峰值，且最高峰值与最低峰值之差为次高峰值与最低峰值之差的1.5倍以上，则认为转子在最高峰值对应的测点处出现裂纹；否则，认定转子结构中不存在裂纹。

【应用实例】

当系统转速恒定后，利用电涡流传感器在传感器支架导轨上逐点移动，完成交流电机至转盘左侧共16个测点的位移测试，其中裂纹位于测点9与测点10之间。待传感器支架移动至节点处后，以螺丝固定，并采集一段时间内的转轴响应波形，通过变换求解波形包络线，对包络线求平均完成对该测点在特定转速下的位移峰值估计，继而松开螺丝，将传感器支架移至下一点进行测试。最终逐点连接，形成该转速下的转轴响应变形曲线。将在1100r/min转速下得到1-16点的位移变形曲线带入到曲率维数计算公式中，得到如图2(a)所示的裂纹峰值指示。观察图2(a)可以发现在曲率维数法所给出的结果中，测点10处出现的代表裂纹的最高峰峰值与最低峰峰值之差，超过了次高峰峰值与最低峰峰值之差的1.5倍，指示了裂纹的存在。改变转速为1500r/min重新进行位移曲线测试，得到图2(b)所示的裂纹峰值指示图样。图2(b)所给出的曲率维数识别结果则在测点9处出现一明显峰值，最高峰峰值与最低峰峰值之差，超过了次高峰峰值与最低峰峰值之差的1.5倍，指示了裂纹的存在。

Claims (4)

1.一种转子裂纹快速检测方法，包括以下步骤：

(1)利用非接触式传感器对转子在不同转速运行状态下的位移进行逐点测试，得到各测点的转子位移数据，连接成曲线，成为运行响应振型；

(2)对运行响应振型d进行中心差分，计算转子的曲率振型w，其中，测点i的曲率振型w_i表示为：

$w_i=\frac{d_{i+1}-{2d}_i+d_{i-1}}{h^2}---\left(1\right)$

其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离，d_i表示测点i的振型幅值；

(3)计算曲率振型的波形维数，形成曲率维数曲线，即曲率维数裂纹指示曲线；

(4)分析曲率维数裂纹指示曲线的峰值，根据最高峰值、最低峰值和次高峰值之间的大小关系，判定转子是否存在裂纹，并对裂纹进行定位。

2.根据权利要求1所述的检测，其中，所述非接触式传感器为电涡流位移传感器或激光测振仪。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(3)具体为：

对曲率振型序列{w|(x_i，y_i)，i＝1，2，…，n-1，n}，借助线性变换将其正则化：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{x_i-x_{\min }}{x_{\max }-x_{\min }},{\mathrm{\η}}_i=\frac{y_i-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }},i=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(2\right)$

得到正则化后的序列{w_Nor|(ξ_i，η_i)，i＝1，2，…，n-1，n}，将序列w_Nor所占据的空间进行N×N划分，其中，若序列长度为整数n，则划分数N应不小于2n，此时波形维数D_w表示为：

$D_w=\underset{N\→\∞}{\lim }\frac{\mathrm{In}\left(2(N-1)\right)+\mathrm{In}\left(2L\right)}{\mathrm{In}\left(2(N-1)\right)}---\left(3\right)$

式中L表示波形曲线长度，并且划分数N满足函数关系N(l)＝L/l，代入上式(3)得到波形维数表达式：

$\mathrm{WCD}=\underset{l\→0}{\lim }\frac{\log l-\log L}{\log l}---\left(4\right)$

其中l为N×N划分中每个正方形盒子覆盖中的微小直线长度；

将转子的曲率振型作为一股曲线带入式(4)即可得到曲率维数曲线，即曲率维数裂纹指示曲线。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(4)中的判定准则为：若某测点处出现最高峰值，且最高峰值与最低峰值之差为次高峰值与最低峰值之差的1.5倍以上，则认为转子在最高峰值对应的测点处出现裂纹；否则，判定转子结构中不存在裂纹。