CN113063343A - 一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法 - Google Patents

一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，包括在转轴上选定测试截面选择应变测点，黏贴应变片；将应变片按全桥模式连接；在转轴均匀旋转状态下测量转轴连续旋转过程中转轴弯曲应变信号；对应变信号进行拟合；计算弯曲应变波形失真度；根据失真度值大小判断转轴裂纹的程度。可以通过检测低速旋转状态下转轴上所承受的应变信号波形的特征来检测转轴裂纹，可以实现设备不解体情况下的转轴裂纹故障检测，提高转轴裂纹故障检测的准确度和效率。

Description

一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法
技术领域
本发明涉及传动件检测技术领域，尤其涉及一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法。
背景技术
转轴是旋转机械的重要部件，其上安装着叶轮和叶片等关键部件，承担着旋转机械工作时产生的弯矩和扭矩，对其强度有较高要求。转轴加工时存在的残余应力、材料的缩孔、夹渣、大幅弯曲和扭转振动在转轴上形成的交变应力等因素都会导致转轴裂纹。转轴裂纹是严重影响汽轮机、燃气轮机、发电机、泵、风机、压缩机、电动机等各类旋转机械安全、稳定、可靠运行的故障，会导致机组产生大幅和不稳定振动，严重时会导致机毁人亡的恶性事故。
转轴裂纹故障的检测目前有磁粉探伤、超声波探伤、工业CT扫描法、渗透探伤法、功率谱法、振动检测法和双涡流传感器法。这些测试方式操作不太简便，有些还需要复杂的设备，因此降低了测试效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，旨在解决现有方法测试不够简便导致测试效率降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，包括在转轴上选定测试截面选择应变测点，黏贴应变片；将应变片按全桥模式连接；在转轴均匀旋转状态下测量转轴连续旋转过程中转轴弯曲应变信号；对应变信号进行拟合；计算弯曲应变波形失真度；根据失真度值大小判断转轴裂纹的程度。
其中，所述对应变信号进行拟合的具体步骤是：用标准正弦信号对所测得的应变信号进行拟合，公式为：
Figure BDA0002988702170000021
其中ω为圆频率，ω＝2πf，θ为相位角，A为幅值，Ac,As分别为信号中和余弦分量和正弦分量相对应的幅值B，为信号中的直流分量，应变信号t时刻采样点ε(t)所对应的圆周角度为：
Figure BDA0002988702170000022
记测试转速为s，对应的转动频率为：
Figure BDA0002988702170000023
记应变信号采样频率为：fs；
定义残余误差，通过最小二乘法求出变量，使得式对应的残差最小，公式为：
Figure BDA0002988702170000024
其中，应变信号采样点对应的序号为i＝1,2,...,N，N为采样点数。
其中，所述计算弯曲应变波形失真度的具体方式是：定义弯曲应变正弦波形失真度K：
Figure BDA0002988702170000025
式中，
Figure BDA0002988702170000026
为拟合出的弯曲应变信号幅值。
本发明的一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，通过检测低速旋转下转轴上所承受的应变信号波形的特征来检测转轴裂纹，可以实现设备不解体情况下的转轴裂纹故障检测，提高转轴裂纹故障检测的准确度。应变片尺寸小、重量轻，可以很容易地粘贴到测试部位。应变测试技术具有较高的灵敏度和精度；该方法无需将设备解体。测试时只需有一段50mm左右宽的转轴暴露在外面、允许黏贴应变片即可；该方法测试方便。在低速旋转下即可进行测试。应变片布置好后，一次测试大约只需10min即可完成，具有快速、方便特点；该申请所采用的波形失真评价方法是一个无量纲值，可以做到对转轴裂纹故障的定量检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法的流程图；
图2是本发明的在转轴均匀旋转状态下测量转轴连续旋转过程中转轴弯曲应变信号的流程图；
图3是本发明的贴片位置放置图；
图4是本发明的贴片接线图；
图5是本发明的转轴表面旋转一周过程中弯曲变形情况图；
图6是本发明的无裂纹转轴旋转一周过程中应变变化情况图；
图7是本发明的裂纹深度为a、宽度为2b的圆轴横截面及转轴示意图；
图8是本发明的惯性坐标系下弯曲刚度相对变化率随转轴转角的变化情况图；
图9是本发明的带裂纹转轴旋转过程中弯曲变形变化情况图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1～图9，本发明提供一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，包括：
S101在转轴上选定测试截面选择应变测点，黏贴应变片；
旋转机械的转轴上安装有叶轮、联轴器等部件，具有一定的载荷。在这些载荷作用下，转轴产生弹性弯曲变形。
电阻应变片粘贴的具体方式是在转轴截面0°和180°处，各布置2组平行沿轴线方向布置的应变片，一共4组应变片，如图3和图4中R1/R4、R2/R3所示。
S102将应变片按全桥模式连接；
横截面上的4组应变片构成一组测点，采用全桥模式测试弯曲应变。转轴旋转状态下测试弯曲应变时，为避免信号线的缠绕，需要采用具有无线通讯功能的应变仪。
S103转轴连续盘动若干周；
S104在转轴均匀旋转状态下测量转轴连续旋转过程中转轴弯曲应变信号；
具体步骤是：
S201使转轴匀速旋转；
使转轴匀速旋转的转速小于60r/min，且旋转周期大于等于10次。为消除误差，测试前可先将转轴连续盘动若干周，为了提高测试的准确性，建议连续测试的周期数≥10。
S202轴颈受力使应变片产生形变而转换为应变信号
S203应变信号经过应变仪放大和转换，得出转轴表面弹性弯曲应变。
S105对应变信号进行拟合；
具体步骤是：
用标准正弦信号对所测得的应变信号进行拟合，公式为：
Figure BDA0002988702170000041
其中ω为圆频率，ω＝2πf，θ为相位角，A为幅值，Ac,As分别为信号中和余弦分量和正弦分量相对应的幅值B，为信号中的直流分量，应变信号t时刻采样点ε(t)所对应的圆周角度为：
Figure BDA0002988702170000042
记测试转速为s，对应的转动频率为：
Figure BDA0002988702170000043
记应变信号采样频率为：fs；
定义残余误差，通过最小二乘法求出变量，使得式对应的残差最小，公式为：
Figure BDA0002988702170000044
其中，应变信号采样点对应的序号为i＝1,2,...,N，N为采样点数。
S106计算弯曲应变波形失真度；
转轴裂纹故障早期，裂缝比较小。转轴旋转时，当裂纹转到轴截面的拉伸区时裂纹张开，截面刚度减弱；当裂纹转到轴截面的压应力区时裂纹关闭，截面刚度恢复原值。裂纹通过应力的拉伸区与压缩区，引起裂纹的张开、闭合，从而导致转子刚度的动态变化。
如附图7所示，记裂纹深度为a，裂纹宽度为2b，惯性坐标系下的刚度矩阵为：
Figure BDA0002988702170000051
式中，L为转轴长度，ω为转动频率，t为时间，k＝48EI/L3为无裂纹转轴的刚度，I为转轴截面惯性矩，cξ为裂纹对刚度影响的修正系数，Θ为考虑开闭裂纹影响的系数。开裂纹区Θ＝1，闭裂纹区Θ＝0。附图8给出了一组转轴裂纹状态(相对裂纹深度a/R＝0.5，半径R＝0.02m，L＝0.75m，泊松比ν＝0.25)下计算得到的旋转过程中弯曲刚度相对变化率(kx/k,ky/k,kxy/k,kyx/k)随转轴转角的变化情况。旋转过程中转轴弯曲刚度不再是一个常数，随转动角度的变化而变化。
旋转过程中转轴弯曲刚度动态变化后，转轴弯曲变形也会发生较大变化，不再是一个常量。附图9给出了一组带裂纹转轴在旋转过程中弯曲量变化情况。由此导致旋转过程中截面弯曲应变随旋转角度的变化也不再类似于标准的正弦或余弦波，而是产生了一定偏差。
定义弯曲应变正弦波形失真度K：
Figure BDA0002988702170000052
式中，
Figure BDA0002988702170000053
为拟合出的弯曲应变信号幅值。
S107根据失真度值大小判断转轴裂纹的程度。
K＝0代表没有裂纹。K值越大，转轴裂纹的可能性越大。转轴上没有裂纹时，转动过程中垂直方向上转轴刚度是一个定值，应变片的受力从压缩变为拉伸。在此过程中，转轴应变变化如同标准的正弦波或余弦波一样，如附6所示。
本发明的工作原理及使用流程：请参阅图1和图2，通过检测低速旋转下转轴上所承受的应变信号波形的特征来检测转轴裂纹，可以实现设备不解体情况下的转轴裂纹故障检测，提高转轴裂纹故障检测的准确度。应变片尺寸小、重量轻，可以很容易地粘贴到测试部位。应变测试技术具有较高的灵敏度和精度；该方法无需将设备解体。测试时只需有一段50mm左右宽的转轴暴露在外面、允许黏贴应变片即可；该方法测试方便。在低速旋转状态下即可进行测试。应变片布置好后，一次测试大约只需10min即可完成，具有快速、方便特点；该申请所采用的波形失真评价方法是一个无量纲值，可以做到对转轴裂纹故障的定量检测。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，其特征在于，
包括：在转轴上选定测试截面选择应变测点，黏贴应变片；
将应变片按全桥模式连接；
在转轴均匀旋转状态下测量转轴连续旋转过程中转轴弯曲应变信号；
对应变信号进行拟合；
计算弯曲应变波形失真度；
根据失真度值大小判断转轴裂纹的程度。
2.如权利要求1所述的一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，其特征在于，
所述对应变信号进行拟合的具体步骤是：
用标准正弦信号对所测得的应变信号进行拟合，公式为：
Figure FDA0002988702160000011
其中ω为圆频率，ω＝2πf，θ为相位角，A为幅值，Ac,As分别为信号中和余弦分量和正弦分量相对应的幅值B，为信号中的直流分量，应变信号t时刻采样点ε(t)所对应的圆周角度为：
Figure FDA0002988702160000012
记测试转速为s，对应的转动频率为：
Figure FDA0002988702160000013
记应变信号采样频率为：fs；
定义残余误差，通过最小二乘法求出变量，使得式对应的残差最小，公式为：
Figure FDA0002988702160000014
其中，应变信号采样点对应的序号为i＝1,2,...,N，N为采样点数。
3.如权利要求1所述的一种基于应变信号波形失真评价的转轴裂纹检测方法，其特征在于，
所述计算弯曲应变波形失真度的具体方式是：定义弯曲应变正弦波形失真度K：
Figure FDA0002988702160000015
式中，
Figure FDA0002988702160000016
为拟合出的弯曲应变信号幅值。
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