CN111780977B - 叶片刮磨监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片刮磨监测方法和监测系统，在机匣的外表面设置测试点，并获得所述测试点的实时振动的幅值时域信号；对所述幅值时域信号进行处理，并将所述幅值时域信号转化为幅值频域信号；令所述幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得所述统计值与预设的阈值的比值；若所述比值<1，则叶片与机匣之间未发生刮磨；若所述比值≥1，则叶片与机匣之间发生刮磨。该叶片刮磨监测方法和监测系统，可实时显示刮磨监测信号，以判断是否发生叶片与可磨层的刮磨事件，并根据刮磨时统计值与阈值的比值评估刮磨程度，在线监测可磨层的刮磨情况，增加了设备运行的安全性。

Description

叶片刮磨监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及一种叶片刮磨监测方法及监测系统。

背景技术

旋转机械中转子、静子之间的碰摩是经常发生的现象，轻则振动增加，重则严重影响设备寿命，甚至引发机毁人亡的恶性事故。

由于碰摩故障机理、碰摩诱发系统响应的复杂性，对碰摩故障已有大量研究。目前的研究现状，分别对单点碰摩、局部碰摩、整周碰摩等进行了研究，总结分析各种碰摩形式的典型故障特征，但针对叶片与机匣的可磨层之间的刮磨的研究尚未见报道。

已有的叶尖间隙监测系统，可测量探头与叶尖的间距，测量测点处的可磨层的磨损深度，但该系统只能测量测点处的磨损情况，对其它位置的磨损无法检测。而，在航空发动机中设置有较多的可磨层，可磨层的磨损信息对发动机的安全运行非常重要。因此，对叶片与机匣的可磨层之间的刮磨情况进行实时监控，非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片刮磨监测方法及监测系统，从而对叶片与机匣的可磨层之间的刮磨情况进行实时监控。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种叶片刮磨监测方法，包括以下步骤：

在机匣的外表面设置测试点，并获得所述测试点的实时振动的幅值时域信号；

对所述幅值时域信号进行处理，并将所述幅值时域信号转化为幅值频域信号；

令所述幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得所述统计值与预设的阈值的比值；

若所述比值<1，则叶片与机匣之间未发生刮磨；若所述比值≥1，则叶片与机匣之间发生刮磨。

优选地，该叶片刮磨监测方法，还包括以下步骤：

若所述比值≥1，则根据所述比值判断刮磨的严重程度，所述比值越大则刮磨程度越严重。

优选地，所述幅值时域信号转化为所述幅值频域信号，通过快速傅立叶变换实现。

优选地，对所述幅值频域信号进行处理，包括：

若频率对应的幅值小于所述阈值，则设置该频率对应的幅值为0。

优选地，对所述幅值频域信号进行处理，包括：

获得转子系统的工频；

在所述幅值频域信号中滤去所述工频及其倍频。

优选地，所述测试点的位置与所述机匣的可磨层相对应。

优选地，所述阈值的设定方法，包括：

将发动机运转至不可能发生刮磨的转速；

对应的测试点所获得的幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为该测试点的阈值。

本发明还提供一种叶片刮磨监测系统，包括：

振动传感器，所述振动传感器设置于机匣的外表面上，所述振动传感器用于测量所述机匣的实时振动并输出幅值时域信号；

数据采集单元，所述数据采集单元用于接收来自所述振动传感器的幅值时域信号并将所述幅值时域信号转化为幅值频域信号；

数据处理单元，所述数据处理单元用于接收来自所述数据采集单元的幅值频域信号，所述数据处理单元还用于令所述幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得所述统计值与预设的阈值的比值，并根据比值判断叶片与机匣之间是否发生刮磨。

优选地，所述叶片刮磨监测系统还包括显示单元，所述显示单元用于接收并显示来自所述数据处理单元的幅值频域信号。

优选地，所述叶片刮磨监测系统还包括存储单元，所述存储单元用于接收并存储来自所述数据处理单元的幅值频域信号。

优选地，所述振动传感器的位置与所述机匣的可磨层相对应。

优选地，所述振动传感器为加速度传感器。

优选地，所述数据处理单元还用于根据所述比值判断刮磨的严重程度，所述比值越大则刮磨程度越严重。

优选地，所述振动传感器的数量为若干个，所述数据采集单元、数据处理单元为每个所述振动传感器分配一个独立的通道。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

该叶片刮磨监测方法和监测系统，可实时显示刮磨监测信号，以判断是否发生叶片与可磨层的刮磨事件，并根据刮磨时统计值与阈值的比值评估刮磨程度，在线监测可磨层的刮磨情况，增加了设备运行的安全性。

附图说明

图1为本发明叶片刮磨监测方法和监测系统的所应用的转子系统的结构示意图。

图2为本发明叶片刮磨监测方法的实施例一的流程示意图。

图3为图2所示的叶片刮磨监测方法所测得的无刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。

图4为图2所示的叶片刮磨监测方法所测得的刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。

图5为图2所示的叶片刮磨监测方法所测得的经跟踪滤波后的刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。

图6为本发明叶片刮磨监测方法的实施例二的流程示意图。

图7为本发明叶片刮磨监测方法的实施例三的阈值的设定方法的流程示意图。

图8为本发明叶片刮磨监测系统的结构示意图。

图9为图8所示的叶片刮磨监测系统的显示单元的一种显示界面的示意图。

附图标记说明

机匣1，可磨层11；转子叶片2；振动传感器3；数据采集单元4；数据处理单元5；显示单元6；存储单元7；计算机8。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

如图1所示，转子系统包括机匣1和设置于机匣1内的转子叶片2，机匣1的内表面设有可磨层11，该可磨层11与转子叶片2的端部相对应。当转子叶片2转动时，转子叶片2的端部有可能与机匣1的可磨层11发生刮磨。本发明所提供的叶片刮磨监测方法和监测系统应用于该转子系统上。

实施例一

如图2所示，本发明提供一种叶片刮磨监测方法，包括以下步骤：

S11、在机匣1的外表面设置测试点，并获得测试点的实时振动的幅值时域信号；

S12、对幅值时域信号进行处理，并将幅值时域信号转化为幅值频域信号；

S13、令幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得统计值与预设的阈值的比值；

S14、若比值<1，则叶片2与机匣1之间未发生刮磨；

S15、若比值≥1，则叶片2与机匣1之间发生刮磨。

为了更准确地监测刮磨程度，最好将测试点的位置与机匣1的可磨层11相对应。即，机匣1的每个可磨层11均对应设置有一个测试点。

其中，将幅值时域信号转化为幅值频域信号，可通过快速傅立叶变换实现。

另外，在将幅值时域信号转化为幅值频域信号之前，先对幅值时域信号进行处理，包括但不限于：若频率对应的幅值小于阈值，则设置该频率对应的幅值为0。

如图3所示，为无刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。如图4所示，为刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。由图3和图4可知，在叶片2与机匣1之间发生刮磨时，幅值频域信号的幅值将发生显著变化。当其幅值的均方根值或均值与阈值的比值≥1，则证明叶片2与机匣1之间发生了刮磨。

当发动机运转至可能发生刮磨的较高转速，通过实时监测，可实时判断是否发生了叶片与机匣的刮磨事件。

如果将转子系统的转速信号接入，还可以实现跟踪转速滤波的功能。即，在获得测试点的实时振动的幅值时域信号的同时，获得转子系统的工频；再在幅值频域信号中滤去工频及其倍频。如图5所示，为跟踪滤波后的刮磨状态的幅值频域信号的特征示意图。可见，经滤波后，使得刮磨特征信号更加突出。

实施例二

如图6所示，本发明提供一种叶片刮磨监测方法，包括以下步骤：

S21、在机匣1的外表面设置测试点，并获得测试点的实时振动的幅值时域信号；

S22、对幅值时域信号进行处理，并将幅值时域信号转化为幅值频域信号；

S23、令幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得统计值与预设的阈值的比值；

S24、若比值<1，则叶片2与机匣1之间未发生刮磨，继续执行步骤S21；

S25、若比值≥1，则叶片2与机匣1之间发生刮磨，且执行步骤S26；

S26、根据比值判断刮磨的严重程度，比值越大则刮磨程度越严重。

若比值≥1，确定叶片2与机匣1之间发生刮磨，则还可以根据比值的大小，判断刮磨程度的严重性。通过这种监测方法，不需要停机后再测量磨损深度，可实时判断刮磨程度，监测方法实时快捷。

实施例三

实施例一、实施例二中的叶片刮磨监测方法的预设的阈值，与每个测试点对应，即每个测试点均设有一个对应的阈值。

其中，如图7所示，阈值的设定方法，包括：

S31、将发动机运转至不可能发生刮磨的转速；

S32、在机匣的外表面设置测试点，并获得测试点的实时振动的幅值时域信号；

S33、对幅值时域信号进行处理，并将幅值时域信号转化为幅值频域信号；

S34、令幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为阈值。

步骤S34所获得的阈值，即为对应的测试点的阈值。其中，若在比较过程中，统计值为幅值的均方根值，则阈值也对应地为幅值的均方根值。同理，若在比较过程中，统计值为幅值的均值，则阈值也对应地为幅值的均值。

实施例四

如图8所示，为本发明叶片刮磨监测系统的一实施例。该叶片刮磨监测系统安装在转子系统上。该叶片刮磨监测系统包括振动传感器3、数据采集单元4、数据处理单元5，振动传感器3设置于机匣1的外表面上，振动传感器3用于测量机匣1的实时振动并输出幅值时域信号；数据采集单元4用于接收来自振动传感器3的幅值时域信号并将幅值时域信号转化为幅值频域信号；数据处理单元5用于接收来自数据采集单元4的幅值频域信号，数据处理单元5还用于令幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得统计值与预设的阈值的比值，并根据比值判断叶片2与机匣1之间是否发生刮磨。数据处理单元5还用于根据比值判断刮磨的严重程度，比值越大则刮磨程度越严重。

为了更准确地监测刮磨程度，最好将振动传感器3的位置与机匣1的可磨层相对应。即，机匣1的每个可磨层11均对应设置有一个振动传感器3。

其中，振动传感器3最好为加速度传感器，所测得的信号为加速度信号。

上述叶片刮磨监测系统的信号处理和刮磨判断方法，如实施例一至二所示，阈值的设定如实施例三所示。即将振动传感器3放置于测试点，即可判断叶片2与机匣1之间是否发生刮磨以及刮磨程度。

该叶片刮磨监测系统还包括显示单元6，显示单元6用于接收并显示来自数据处理单元5的幅值频域信号。

振动传感器3的数量为若干个，数据采集单元4、数据处理单元5为每个振动传感器3分配一个独立的通道。显示单元6具有一个显示屏，且该显示屏可分为若干区域，每个区域对应显示一个振动传感器3的信号，且可以分时间段显示。

如图9所示，为显示单元6的一种显示界面，该显示界面显示了两个通道的信号，即对应显示了两个振动传感器3的信号。其中，每个通道的信号按时间段分三段显示，即0～Δt、Δt～2Δt、2Δt～3Δt三个时间段显示。

该叶片刮磨监测系统还包括存储单元7，存储单元7用于接收并存储来自数据处理单元5的幅值频域信号。

上述显示单元6、存储单元7与数据处理单元5，可集成于一计算机8来实现。

该叶片刮磨监测系统，通过搭建基于振动传感器的监测系统，通过振动信号分析，提取叶片与可磨层的刮磨信号，从而识别刮磨信息，进行发动机叶片与可磨层的刮磨监测。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种叶片刮磨监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在机匣的外表面设置测试点，并获得所述测试点的实时振动的幅值时域信号；

对所述幅值时域信号进行处理，并将所述幅值时域信号转化为幅值频域信号；

令所述幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得所述统计值与预设的阈值的比值；

若所述比值<1，则叶片与机匣之间未发生刮磨；若所述比值≥1，则叶片与机匣之间发生刮磨。

2.根据权利要求1所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于，该叶片刮磨监测方法还包括以下步骤：

若所述比值≥1，则根据所述比值判断刮磨的严重程度，所述比值越大则刮磨程度越严重。

3.根据权利要求1所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于：所述幅值时域信号转化为所述幅值频域信号，通过快速傅立叶变换实现。

4.根据权利要求1所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于，对所述幅值时域信号进行处理，包括：

若频率对应的幅值小于所述阈值，则设置该频率对应的幅值为0。

5.根据权利要求1或4所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于，对所述幅值频域信号进行处理，包括：

获得转子系统的工频；

在所述幅值频域信号中滤去所述工频及其倍频。

6.根据权利要求1所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于，所述测试点的位置与所述机匣的可磨层相对应。

7.根据权利要求1所述的叶片刮磨监测方法，其特征在于，所述阈值的设定方法，包括：

将发动机运转至不可能发生刮磨的转速；

对应的测试点所获得的幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为该测试点的阈值。

8.一种叶片刮磨监测系统，其特征在于，包括：

振动传感器，所述振动传感器设置于机匣的外表面上，所述振动传感器用于测量所述机匣的实时振动并输出幅值时域信号；

数据采集单元，所述数据采集单元用于接收来自所述振动传感器的幅值时域信号并将所述幅值时域信号转化为幅值频域信号；

数据处理单元，所述数据处理单元用于接收来自所述数据采集单元的幅值频域信号，所述数据处理单元还用于令所述幅值频域信号的幅值的均方根值或均值为统计值，获得所述统计值与预设的阈值的比值，并根据比值判断叶片与机匣之间是否发生刮磨。

9.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述叶片刮磨监测系统还包括显示单元，所述显示单元用于接收并显示来自所述数据处理单元的幅值频域信号。

10.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述叶片刮磨监测系统还包括存储单元，所述存储单元用于接收并存储来自所述数据处理单元的幅值频域信号。

11.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述振动传感器的位置与所述机匣的可磨层相对应。

12.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述振动传感器为加速度传感器。

13.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于根据所述比值判断刮磨的严重程度，所述比值越大则刮磨程度越严重。

14.根据权利要求8所述的叶片刮磨监测系统，其特征在于，所述振动传感器的数量为若干个，所述数据采集单元、数据处理单元为每个所述振动传感器分配一个独立的通道。

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