CN105973448A - 一种旋转叶片振动测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转叶片振动测量方法与系统，主要包括叶片振动测量方案和基于谱分析的振动参数识别方法，通过单个激光传感器和2‑4个光纤传感器分别同步并行采集转速和振动位移，完成振动测量方案；利用最小方差谱分析法对非均匀叶片振动数据进行分析，再通过不同转速位置处的振动峰谱图对比确定叶片振动阶次和频率；最后通过具体叶片转子试验台验证振动测量系统，方案简单易行，方法正确可靠。

Description

一种旋转叶片振动测量方法与系统

技术领域

本发明属于机械测试领域，具体涉及一种旋转叶片振动测量方法与系统。

背景技术

目前，旋转机械广泛应用于各行各业，如航空发动机、烟气机、叶轮机，它是主要由涡轮机及其驱动工作机组成的动力机械，其中叶片作为关键部件之一，具有数量多、易损坏等特点。保证叶片的安全运行能够很大程度降低旋转机械发生故障的概率，因此叶片的安全受到越来越多的关注。目前测量叶片振动的方法采用非接触测量的叶尖定时方法，叶尖定时测振技术是将叶尖定时传感器沿径向安装在旋转机械相对静止的壳体上，根据叶片到达传感器的脉冲时间t与理论到达时间的不同，获得叶片振动的欠采样序列，因此准确得到叶片振动数据是叶尖定时技术的关键部分，研究更加精确、更加方便的测振方案有重要意义。而目前对同步和异步叶尖定时参数识别方法中，谱分析的方法发展较慢，然而谱分析在快速确定振动频率和阶次方面具有优势，因此有必要对谱分析方法进行研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种简单易行、准确可靠的旋转叶片振动测量方法与系统。

本发明提供的旋转叶片振动测量方法，包括以下步骤：

1)将激光转速传感器安装于旋转机械叶片转子转轴的一侧，用于采集叶盘的转速；将若干光纤传感器固定在机匣的径向位置，用于采集叶片到来的时间；

2)采用同步并行采集卡接收转速与叶片到来时间的信号；

3)将采集到的信号传输到控制器中，控制器实现在线数据采集、叶片角度标定、振动数据位移计算、数据存储和基本分析功能；

4)基于最小方差滤波及自相关矩阵的迭代完成对振动峰位移数据的谱分析，对比不同转速处各振动峰的谱分析结果，确定振动阶次和频率。

进一步的，所述光纤传感器设有两至四个。

其中，步骤3)具体为：

3.1通过占空比得到某一圈叶片的振动位移；

3.2在转子低速状态下采集叶片的相对于转速同步信号的初始角度值亦即叶片不产生振动时到达光纤传感器的位置。

更进一步的，步骤3.1具体指：

a.采用划分区间的方法，在两个转速脉冲之间划分若干区间，并保证每个区间中只有一个叶尖定时脉冲信号；然后利用波形最大值最小值函数对该区间进行最大值点的求取，同时将该最大值点所对应的X轴的坐标时间求取出来，再求得相对于转速信号的时间t_nbs；

b.光纤传感器在第n圈输出的叶片的信号相对转速同步信号转过的角度为α_nbs＝2πt_nbs/T_n，T_n表示第n圈周期；该叶片的振动角度Δα_b＝α_nbs-α_nbs0，α_nbs0为叶片没有振动时该光纤传感器输出的该叶片的信号相对转速同步信号转过的角度；假设转子的旋转半径为R，该叶片的振动位移y_b＝Δα_b·R，转子旋转n圈后，得到该叶片的振动位移序列{y_b}，且该位移序列对应时间序{t_b}。

更进一步的，步骤3.2具体指：

a.测定五个等差转速下叶片相对于转速同步传感器的角度值；

b.使用线性拟合算法，得出各传感器各叶片角度值随转速变化的线性函数；

c.通过计算每圈的转速，根据不同叶片不同传感器载入线性方程各自的斜率值和截距值，运算得出各圈叶片理论角度，即理论条件下叶片无振动时相对于转速同步传感器的角度值。

其中，步骤4)具体指：

4.1对叶片在不同转速下某两处振动峰数据序列做最小方差谱分析，并加入自相关矩阵迭代，得到两处振动峰数据序列幅值谱；

输入向量：x(t_i)＝[x(t₀),x(t₁),…,x(t_k-1)]^T；滤波器权系数向量：h＝[h₀,h₁,…h_k-1]^T

最小方差法权系数的解： $h=\frac{R^{-1}{E}_{\mathrm{\ω}}}{{E_{\mathrm{\ω}}}^H{R}^{-1}{E}_{\mathrm{\ω}}};$ 式中 $E_{\mathrm{\ω}}={\[1,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_{k-1})},...,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_1)}\]}^T,$ R∈C^M×M为输入向量的k维自相关矩阵，ω为频率点，t为各采样点采样时间，下面加入自相关矩阵的迭代。

自相关矩阵： $R^{\left(i\right)}=\frac{1}{N}{\mathrm{EW}}^{\left(i\right)}{E}^H;$ 幅值谱： $S^{\left(i\right)}=\frac{x{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E}{diag\left(E^H{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E\right)}$

式中i为迭代次数，W⁽¹⁾＝I，W⁽ⁱ⁺¹⁾＝diag(|S⁽ⁱ⁾|²)；I为单位矩阵；N为频点个数。

4.2从两幅谱图中找出同一频率位置处的谱峰，该谱峰为当前叶片固有频率，即共振频率；

4.3通过振动峰处的转频及共振频率求得振动阶次。

步骤4.2中如果存在多个相同谱峰，通过坎贝尔图加以分别。

一种旋转叶片振动测量系统，该系统包括传感检测装置、旋转叶片转子、控制器以及连接线路；其特征在于，所述传感检测装置包括激光转速传感器以及若干光纤传感器，所述激光转速传感器设置在叶片转子的转轴的一侧，所述光纤传感器固定在机匣的径向位置；各传 感检测装置与控制器相连。

本发明提供的旋转叶片振动测量方法与系统针对振动数据非均匀、无规则的特点，使用了最小方差谱分析方法，相较于传统谱分析，充分考虑非均匀采样的影响。特别适用于转速变化快，多个叶尖定时传感器数据同时分析的情况。

本发明可以使得叶尖定时传感器的安装便捷，不受结构的限制，便于现场测试应用。

附图说明

图1是本发明旋转叶片振动测量系统的结构示意图；

图2是叶片振动位移获取方式的流程图；

图3是叶片角度校准方式的流程图；

图4是叶片振动位移折线图；

图5是实施例中某一振动峰处振动数据选取及分析结果图；

图6是实施例中某一振动峰处振动数据选取及分析结果图；

其中，1-激光转速传感器、2-光纤传感器。

具体实施方式

本发明提供一种旋转叶片振动测量方法与系统，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文重点解决的问题是制定准确快捷叶片测振方案和谱分析参数识别方法，为此，我们采用一个安装于转轴的激光转速传感器1、二到四个光纤传感器2、PXI并行采集卡和高性能采集分析软件实现叶片振动采集。方案实施的具体内容如下：

(1)通过安装于转轴一侧的单个激光转速传感器确定叶盘转速，2至4个光纤传感器固定于机匣径向位置采集叶片到来时间。

(2)PXI同步并行采集卡同时接受转速脉冲和叶尖定时脉冲。该采集卡和传感器的相互配合，具有传感器安装数量少且定时精度高，转速时间和叶片到来时间误差小。

(3)采集软件完成了在线数据采集、叶片角度标定、振动数据位移计算、数据存储和基本分析功能。

(4)离线谱分析软件基于最小方差滤波及自相关矩阵的迭代完成对位移数据的谱分析，通过不同转速的振动峰谱图对比确定。

对上述方案的各部分的关键内容，在下面进行详细描述。

1、数据采集

在线数据采集模块硬件设备基于NI PXIe-4499高速数据采集卡，由于叶尖定时测振法需 要准确测得叶片到来时间，因而只有高采样率才能保证叶片到达时间准确性，该数据采集卡最高采样率可以达到204.8ks/s。同时单端采集卡提供的16通道模拟信号并行输入能够使得各个通道采集的信号同时到达PXI系统，使得各传感器信号之间不存在延迟。由于激光转速传感器和光纤传感器所测得的信号存在严格的对应关系，非并行输入会造成信号之间延迟误差，这样就需要其他传感器辅助，增加了系统复杂程度且降低采集精度。采用单个激光转速传感器搭配PXI并行采集卡方法满足了信号获取既方便又准确的要求。采集卡采用的ADC模数转换分辨率为24位。

基于labview的采集软件主要在以下模块有以下特点：

(1)振动位移计算模块

a.采用划分区间的方法，即使得整圈数内该区间内时域信号只存在单个叶片在单个传感器上响应的模拟信号。然后利用LabVIEW波形函数工具包中的波形最大值最小值函数对该区间进行最大值点的求取，同时将该最大值点所对应的X轴的坐标时间求取出来，再求得相对于转速信号的时间t_nbs。

b.传感器s在第n圈输出的叶片b的信号相对转速同步信号转过的角度为α_nbs＝2πt_nbs/T_n，T_n表示第n圈周期。因此叶片b的振动角度Δα_b＝α_nbs-α_nbs0，α_nbs0为叶片没有振动时传感器s输出的叶片b的信号相对转速同步信号转过的角度。假设转子的旋转半径为R，叶片b的振动位移y_b＝Δα_b·R，转子旋转n圈后，得到叶片b的振动位移序列{y_b}，且该位移序列对应时间序{t_b}。叶片振动位移获取模块流程图如图2所示。

(2)叶片角度标定模块

该模块实现的功能是叶尖定时计算算法中叶片角度校准功能，即在转子低速状态下系统采集叶片的相对于转速同步信号的初始角度值亦即叶片不产生振动时到达光纤传感器的位置。

a.测定200rpm、400rpm、600rpm、800rpm、1000rpm五个转速下叶片相对于转速同步传感器的角度值。

b.使用内置线性拟合模块，得出各传感器各叶片角度值随转速变化的线性函数。

c.系统通过计算每圈的转速，根据不同叶片不同传感器载入线性方程各自的斜率值和截距值，通过运算得出各圈叶片理论角度，即理论条件下叶片无振动的相对于转速同步传感器的角度值。该方法流程图如图3所示。

2、参数识别

对叶尖定时数据参数辨识方法的研究是本文另一个重点，针对数据不规则、非均匀的特 点，我们希望采用谱分析方法进行参数识别。目前针对叶片振动数据参数辨识谱分析方法较少，而传统谱分析忽视非均匀采样的问题，我们将最小方差非均匀谱分析应用于叶片振动数据，并编制相应分析软件。该方法主要包括以下步骤：

a.对不同转速下某两处振动峰数据序列做最小方差谱分析，并加入自相关矩阵迭代，得到各自幅值谱。

自相关：W⁽ⁱ⁺¹⁾＝diag(|S⁽ⁱ⁾|²)W⁽¹⁾＝I

幅值谱： $S^{\left(i\right)}=\frac{x{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E}{diag\left(E^H{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E\right)}$ 式中，向量 $E={\[1,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_{k-1})},...,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_1)}\]}^T$

b.从两幅谱图中找出同一频率位置处的谱峰，该谱峰为当前叶片固有频率。如果存在多个相同谱峰，需要借助坎贝尔图加以分别。

c.通过振动峰处的转频及共振频率求得振动阶次。

3、具体实施

3.1操作流程

(1)检查叶片转子实验台，安装激光转速传感器和4支光纤传感器，确保叶片转动过程中不会和传感器探头发生干扰，叶片连接处螺栓紧固。

(2)打开在线采集分析软件，采样率5000Hz，采样点数50000，传感器灵敏度1mv/mm，并设置存储路径。并保证采集卡正常工作。

(3)接通传感器电源，启动试验台，完成200rpm、400rpm、600rpm、800rpm、1000rpm叶片角度标定工作。

(4)完成叶片转子0rpm至1500rpm升降速扫频过程，得到振动位移数据。如图4为试验现场采集数据。

(5)试验结束后，切断电源。

(6)使用离线谱分析软件对振动位移数据进行分析，得出结果。

3.2谱分析方法

测振方案如上节所示，下面对振动数据进行谱分析的过程。4个光纤传感器相对于叶片1的安装位置分别为7°、22°、37°、52°，整个测试过程持续100s，转速由0Hz升至20Hz再降为零。图5为724圈处振动数据谱分析结果，图6为759圈处振动数据谱分析结果，两处振动峰的转频分别为9.7Hz和7.1Hz，分别对应两谱图中第一个谱峰，也说明谱图分析结果存在转频成分。

下一步寻找共振频率，图5中各谱峰为9.6Hz、20.0Hz、30.12Hz，图6中各谱峰为7.2Hz、14.5Hz、21.7Hz、28.5Hz，其中除去9.6Hz、7.2Hz两处转频成分的谱峰，其余频率成分中 相近的为20.0Hz和21.7Hz、30.12Hz和28.5Hz；此时我们需要借助一些先验知识，通过坎贝尔图我们可以预先知道0.5mm叶片在转频为9.6Hz至7.2Hz范围内，动频处于30Hz左右，因此我们认为30.12Hz和28.5Hz分别为转频9.6Hz、7.2Hz处共振频率。需要指出的是，在试验中由于叶片动频随转速产生轻微改变，不同转速下叶片的共振频率并不完全相等。

在已知转频和共振频率的情况下，两处振动峰的振动阶次求得为3.1和4.96，表1列出了最小二乘谱分析法和其他方法对振动峰的分析结果，并与坎贝尔图比较。从中可以看出，谱分析方法阶次辨识结果与坎贝尔图相比误差在±5％以内；频率分析结果经其他方法检验，结果正确。

表1 724圈和757圈两出振动峰各方法分析结果

上述工作原理的说明仅为本发明的一个特例。因此凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将激光转速传感器安装于旋转机械叶片转子转轴的一侧，用于采集叶盘的转速；将若干光纤传感器固定在机匣的径向位置，用于采集叶片到来的时间；

2)采用同步并行采集卡接收转速与叶片到来时间的信号；

3)将采集到的信号传输到控制器中，控制器实现在线数据采集、叶片角度标定、振动数据位移计算、数据存储和基本分析功能；

4)基于最小方差滤波及自相关矩阵的迭代完成对振动峰位移数据的谱分析，对比不同转速处各振动峰的谱分析结果，确定振动阶次和频率。

2.根据权利要求1所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，所述光纤传感器设有两至四个。

3.根据权利要求1所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤3)具体为：

3.1通过占空比方法得到每圈叶片的振动位移；

3.2在转子低速状态下采集叶片的相对于转速同步信号的初始角度值亦即叶片不产生振动时相对于转速同步信号的初始角度值。

4.根据权利要求3所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤3.1具体指：

a.采用划分区间的方法，在两个转速脉冲之间划分若干区间，并保证每个区间中只有一个叶尖定时脉冲信号；然后利用波形最大值最小值函数对该区间进行最大值点的求取，同时将该最大值点所对应的X轴的坐标时间取出，再求得相对于转速信号的时间t_nbs；

b.光纤传感器在第n圈输出的叶片的信号相对转速同步信号转过的角度为α_nbs＝2πt_nbs/T_n，T_n表示第n圈周期；该叶片的振动角度Δα_b＝α_nbs-α_nbs0，α_nbs0为叶片没有振动时该光纤传感器输出的该叶片的信号相对转速同步信号转过的角度；假设转子的旋转半径为R，该叶片的振动位移y_b＝Δα_b·R，转子旋转n圈后，得到该叶片的振动位移序列{y_b}，且该位移序列对应时间序{t_b}。

5.根据权利要求3所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤3.2具体指：

a.测定五个等差转速下叶片相对于转速同步传感器的角度值；

b.使用线性拟合算法，得出各传感器各叶片角度值随转速变化的线性函数；

c.通过计算每圈的转速，根据不同叶片不同传感器载入线性方程各自的斜率值和截距值，运算得出各圈叶片理论角度，即理论条件下叶片无振动的相对于转速同步传感器的角度值。

6.根据权利要求1所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤4)具体指：

4.1对叶片不同转速位置处的两处振动峰数据序列做最小方差谱分析，并加入自相关矩阵迭代，得到两处振动峰数据序列幅值谱；

输入向量：x(t_i)＝[x(t₀),x(t₁),…,x(t_k-1)]^T；滤波器权系数向量：h＝[h₀,h₁,…h_k-1]^T

最小方差法权系数的解： $h=\frac{R^{-1}{E}_{\mathrm{\ω}}}{{E_{\mathrm{\ω}}}^H{R}^{-1}{E}_{\mathrm{\ω}}};$ 式中 $E_{\mathrm{\ω}}={\[1,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_{k-1})},...,e^{-j\mathrm{\ω}(t_k-t_1)}\]}^T,$ R∈C^M×M为输入向量的k维自相关矩阵，ω为频率点，t为各采样点采样时间，下面加入自相关矩阵的迭代。

自相关矩阵： $R^{\left(i\right)}=\frac{1}{N}{\mathrm{EW}}^{\left(i\right)}{E}^H;$ 幅值谱： $S^{\left(i\right)}=\frac{x{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E}{diag\left(E^H{\left(R^{\left(i\right)}\right)}^{-1}E\right)}$

式中i为迭代次数，W⁽¹⁾＝I，W⁽ⁱ⁺¹⁾＝diag(|S⁽ⁱ⁾|²)；I为单位矩阵；N为频点个数。

4.2从两幅谱图中找出同一频率位置处的谱峰，该谱峰为当前叶片固有频率，即共振频率；

4.3通过振动峰处的转频及共振频率求得振动阶次。

7.根据权利要求6所述的一种旋转叶片振动测量方法，其特征在于，步骤4.2中如果存在多个相同谱峰，通过坎贝尔图加以分别。

8.一种旋转叶片振动测量系统，该系统包括传感检测装置、旋转叶片转子、控制器以及连接线路；其特征在于，所述传感检测装置包括激光转速传感器以及若干光纤传感器，所述激光转速传感器设置在叶片转子的转轴的一侧，所述光纤传感器固定在机匣的径向位置；各传感检测装置与控制器相连。