CN114608773B - 一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于旋转叶片振动参数辨识领域，提供了一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法。首先，在标定条件下，标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度和两支定时传感器之间的夹角；然后，在转子转速经过叶片共振区域的条件下，计算叶片振动差信号；最后，提取共振区域的振动差信号绘制椭圆并根据椭圆参数实现叶片同步振动参数辨识。通过与叶片的坎贝尔图对比，本发明能够精确辨识叶片同步振动的倍频。本发明利用两组叶片振动差信号来绘制椭圆，提高了基于双参数法的叶片同步振动参数辨识的精度和叶片同步振动倍频的辨识范围。另外，本发明也属于无键相叶片振动测量技术，通过叶尖定时信号就能直接获取高精度的叶片振动信息。

Description

一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法
技术领域
本发明属于高速旋转叶片振动测量技术领域，特别是基于叶尖定时测振技术的叶片同步振动参数辨识的方法。
背景技术
目前，基于叶尖定时技术的旋转叶片振动测量方法是最有效的非接触式监测技术之一，叶尖定时测振技术被广泛应用于航天航空、发电、化工等领域。然而，由于叶尖定时技术严重的欠采样特性，传统的振动信号特征提取算法无法辨识叶片的振动参数。因此，叶片振动参数辨识方法也是叶尖定时测振技术的主要研究问题之一。
叶片振动参数辨识主要包括同步振动参数辨识和异步振动参数辨识。叶片同步振动即叶片的振动频率与转速成整数倍关系，而叶片异步振动是指叶片的振动频率与转速成非整数倍关系。本发明的主要解决的问题是叶片高阶同步振动参数辨识方法。叶片同步振动参数辨识方法主要包括单参数法、双参数法、自回归法等。传统的单参数法是根据单支定时传感器测量的叶片振动位移提取叶片的振动参数，该方法获得的叶片振动参数精度低且无法识别叶片的振动倍频；自回归法是根据自回归原理，利用等夹角分布的多支定时传感器辨识叶片同步振动参数，该方法获得的叶片振动参数精度高，但是对定时传感器的数量和安装角度有着严格的要求；双参数法是将两支定时传感器测量的叶片振动位移分别作为X坐标和Y坐标绘制椭圆，然后根据椭圆的长短轴参数计算叶片同步振动的幅值和倍频。然而，叶片振动位移的测量误差导致基于双参数法的叶片振动参数辨识精度低。另外，两支定时传感器的夹角也限制了双参数法振动倍频的辨识范围。叶片同步振动参数辨识对于高速旋转叶片的故障诊断、健康管理和动力学特性研究有着重要的作用。因此，研究高精度的叶片同步振动参数辨识对于大型旋转机械动叶片的安全运行有着重要的意义。
发明内容
本发明针对传统的双参数法的振动参数辨识精度低和振动倍频辨识范围窄的问题，提出一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法。不同于传统的双参数法根据两支定时传感器测量的叶片振动来绘制椭圆，本发明提出的双参数法是根据两支定时传感器测量的叶片振动差来绘制椭圆，叶片振动差可以通过叶片定时信号直接计算得到。与叶片振动相比，叶片振动差测量方法取消了叶尖理论到达时间的计算过程，其计算结果的精度更高。另外，本发明同时记录叶尖的到达时间和离去时间，同样实现了两支叶尖定时传感器就能辨识叶片同步振动参数的技术。最后，本发明的叶片振动倍频的辨识范围与叶尖经过定时传感器时转子转过的角度有关，该角度远小于两支定时传感器的夹角。因此，本发明有效地提高了叶片振动倍频的辨识范围。
本发明的技术方案：
一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法，步骤如下：
第一步：根据叶尖定时信号标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度和两支定时传感器的夹角：
第一支定时传感器记录的叶片到达时间为
Figure BDA0003486596130000021
第一支定时传感器记录的叶片离去时间为
Figure BDA0003486596130000022
第二支定时传感器记录的叶片到达时间为
Figure BDA0003486596130000023
第二支定时传感器记录的叶片离去时间为
Figure BDA0003486596130000024
其中，i表示叶片的编号，n表示转过的圈数；
在叶片无振动的条件下，记录叶尖的到达时间和离去时间；取M圈叶尖定时信号，标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度δi：
Figure BDA0003486596130000031
取M圈叶尖定时信号，标定两支定时传感器的夹角Δβ：
Figure BDA0003486596130000032
其中，N表示叶片的数量；
第二步：根据叶尖定时信号计算叶片振动位移差；
在升降转速的条件下，转子转速经过叶片的共振区域，记录叶尖的到达时间和离去时间；根据叶尖定时信号，计算每圈的平均转速Ω(n)：
Figure BDA0003486596130000033
根据叶尖定时信号，计算叶片振动差：
Figure BDA0003486596130000034
其中，R表示叶尖旋转半径；
第三步：首先，取共振区域的振动差信号分别作为X坐标和Y坐标绘制一个倾角为45°或-45°的椭圆；然后拟合椭圆获取椭圆的长轴a和短轴b；最后，根据椭圆参数计算叶片的振动幅值Ai和振动倍频EOi：
Figure BDA0003486596130000041
其中，
Figure BDA0003486596130000042
所述的叶片同步振动参数辨识方法仅需要两支定时传感器就能实现叶片高阶同步振动参数辨识。
所述的叶尖到达时间和叶尖离去时间是将叶尖经过定时传感器产生的脉冲信号进行上升沿和下降沿识别，然后通过采集模块获取叶尖的到达时间和离去时间。
在叶片无振动的条件下，所述的标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度δi和两支定时传感器的夹角Δβ是将叶尖经过单支叶尖定时传感器的平均时间和叶尖经过两支定时传感器的平均时间转化为角度。
在升降速的条件下，所述的基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法是将转子转速经过叶片的共振区域的叶尖定时信号进行处理得到叶片振动差结果，然后根据振动差绘制椭圆，最后根据椭圆长短轴a和b计算叶片的同步振动幅值Ai和振动倍频EOi。
所述的若叶片振动倍频EOi的值为小数，将叶片振动倍频EOi的值做取整数处理即为实际振动的倍频值。
本发明的有益效果：
本发明属于叶片同步振动参数辨识方法。本发明将叶片振动差和双参数法结合，不仅提高了叶片振动参数辨识精度，还提高了振动倍频的辨识范围。同时，本发明也属于无键相叶尖定时测振技术，不需要转速同步测量系统，根据叶尖定时信号就能直接获取叶片振动差。本发明不需要叶片固有特性的先验知识，就能实现叶片高阶同步振动参数辨识，适应性强。
附图说明
图1为升速条件下，16号叶片的振动差结果；(a)为
Figure BDA0003486596130000051
(b)为
Figure BDA0003486596130000052
图2为根据不同共振区域的叶片振动差信号绘制的椭圆；(a)为区域R1，(b)为区域R2，(c)为区域R3，(d)为区域R4。
图3为拟合叶片振动差信号绘制的椭圆；(a)为区域R1，(b)为区域R2，(c)为区域R3，(d)为区域R4。
图4为叶片在6均布磁铁激励下的坎贝尔图。
图5为本发明的叶片同步振动参数辨识流程图。
具体实施方式
以下为结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。实施例的数据来自于高速直叶片振动测量实验台。该实验台主要由交流电机、叶盘和带有磁铁激励的保护罩组成。叶盘直接安装在电机的输出轴上，叶片数为32，叶尖的旋转半径为69mm。电机的额定运行转速12000rpm，通过变频器可实现升降速和定转速的运行条件。基于叶尖定时技术的叶片振动测量主要由光纤传感器、光电前放、计数模块和基于LabVIEW开发的测试软件组成。
第一步：标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度和两支定时传感器的夹角。
拆掉保护罩上的磁铁激励，调节电机转速为1800rpm。保存叶尖定时信号，数据长度为1分钟。
根据公式(1)标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度δi＝2.723°。根据公式(5)可知，本发明的叶片共振倍频辨识的最大值可达132。
根据公式(2)标定两支定时传感器的夹角Δβ＝12.573°。
第二步：升转速的条件下，计算叶片振动差。
在保护罩上均匀布置6个磁铁。电机的升速时间为5分钟，转速变化范围为3120rpm～6120rpm。
根据公式(3)和公式(4)计算16号叶片的振动差
Figure BDA0003486596130000061
和
Figure BDA0003486596130000062
如图1所示。图1显示叶片振动差曲线光滑，计算精度更高。另外，图中的虚线框表示叶片发生同步共振，分别定义共振区域为R1、R2、R3和R4。
第三步：叶片同步振动参数辨识。
a.分别取共振区域的叶片振动差数据绘制椭圆，如图2所示；
b.拟合椭圆获取椭圆的长短轴，拟合结果如图3所示；
c.根据公式(5)和公式(6)计算叶片同步振动幅值和倍频，如表1所示。
图4显示叶片在6均布磁铁激励下的坎贝尔结果，叶片发生共振的倍频和本发明辨识的结果完全一致，可以验证本发明的准确性。
表1第16号叶片同步振动参数辨识结果
Figure BDA0003486596130000063

Claims (4)

1.一种基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：根据叶尖定时信号标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度和两支定时传感器的夹角；
第一支定时传感器记录的叶片到达时间为
Figure FDA0003486596120000011
第一支定时传感器记录的叶片离去时间为
Figure FDA0003486596120000012
第二支定时传感器记录的叶片到达时间为
Figure FDA0003486596120000013
第二支定时传感器记录的叶片离去时间为
Figure FDA0003486596120000014
其中，i表示叶片的编号，n表示转过的圈数；所述的叶尖到达时间和叶尖离去时间是将叶尖经过定时传感器产生的脉冲信号进行上升沿和下降沿识别，然后通过采集模块获取叶尖的到达时间和离去时间；
在叶片无振动的条件下，记录叶尖的到达时间和离去时间；取M圈叶尖定时信号，标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度δi：
Figure FDA0003486596120000015
取M圈叶尖定时信号，标定两支定时传感器的夹角Δβ：
Figure FDA0003486596120000016
其中，N表示叶片的数量；
第二步：根据叶尖定时信号计算叶片振动位移差；
在升降转速的条件下，转子转速经过叶片的共振区域，记录叶尖的到达时间和离去时间；根据叶尖定时信号，计算每圈的平均转速Ω(n)：
Figure FDA0003486596120000017
根据叶尖定时信号，计算叶片振动差：
Figure FDA0003486596120000018
其中，R表示叶尖旋转半径；
第三步：首先，取共振区域的振动差信号分别作为X坐标和Y坐标绘制一个倾角为45°或-45°的椭圆；然后拟合椭圆获取椭圆的长轴a和短轴b；最后，根据椭圆参数计算叶片的振动幅值Ai和振动倍频EOi：
Figure FDA0003486596120000021
其中，
Figure FDA0003486596120000022
2.根据权利要求1所述的基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法，其特征在于，在叶片无振动的条件下，所述的标定叶尖经过定时传感器时转子转过的角度δi和两支定时传感器的夹角Δβ是将叶尖经过单支叶尖定时传感器的平均时间和叶尖经过两支定时传感器的平均时间转化为角度。
3.根据权利要求1或2所述的基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法，其特征在于，在升降速的条件下，所述的基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法是将转子转速经过叶片共振区域的叶尖定时信号进行处理得到叶片振动差结果，然后根据振动差绘制椭圆，最后根据椭圆长短轴a和b计算叶片的同步振动幅值Ai和振动倍频EOi。
4.根据权利要求3所述的基于双参数法的叶片高阶同步振动参数辨识方法，其特征在于，若叶片振动倍频EOi的值为小数，将叶片振动倍频EOi的值做取整数处理即为实际振动的倍频值。
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