一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法
2023-06-01 02:20:46
一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，首先，考慮了由於製造誤差、積垢等原因導致的結構隨機失諧因素，研究了失諧情況下頻率指標的統計規律性，得到頻率指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係，提出了一種基於諧振頻率偏移的離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷指標，進而建立葉輪的裂紋診斷資料庫。其次，本發明通過離心壓縮機轉子的振動信號獲取裂紋葉輪的前若干階敏感諧振頻率，計算諧振頻率的偏移量指標，將測得的指標與已建立的裂紋診斷資料庫進行對比，獲得裂紋的深度，實現葉輪裂紋的定量診斷。本發明揭示了裂紋對離心壓縮機機組頻域響應特徵的影響規律，為實現運行狀態下葉輪的裂紋定量診斷提供了有效的方法。
【專利說明】一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明屬機械設備故障診斷領域，具體涉及一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法。
【背景技術】
[0002]離心壓縮機是國民工業生產中的重要設備，廣泛應用於石化、鋼鐵和電力等領域，保障其安全可靠運行對於工業生產具有重要意義。由於葉輪在實際的運行中承受著複雜的交變應力作用，導致葉輪在薄弱環節因為高周疲勞損傷萌生疲勞裂紋。葉片斷裂事故不僅會造成巨大的經濟損失，還威脅著現場人員的生命安全。鑑於葉片斷裂事故的嚴重後果，工業生產中急需一種能夠可靠地診斷葉輪裂紋的技術。
[0003]工業中應用最為廣泛的離心葉輪是閉式葉輪，這種結構往往是由端蓋、葉片和輪盤焊接而成。這種結構在保證了葉輪具有較好可靠性的同時，也使得結構響應對裂紋不敏感，即除非葉片裂紋深度很大或即將斷裂時，轉子的振動信號中才能呈現出某些響應特徵。然而，僅僅在葉片即將斷裂的情況下才能診斷出葉輪的裂紋故障仍會給壓縮機的安全運行帶來很大的隱患，因此，有必要開發一種能夠在裂紋的中期甚至是早期階段診斷出葉輪的裂紋損傷。不僅可以在存在微小裂紋時採用焊接或其它的修補方法延長葉輪的使用壽命，還可以合理規劃維修時間，減少維修以及意外停機帶來的經濟損失。
[0004]離心壓縮機葉輪裂紋的診斷是一個公認的診斷難題，當前關於離心葉輪裂紋診斷問題的報導還非常少，更沒有一套可行、可靠的葉輪裂紋診斷方法。另外，相比於在停機狀態下的結構裂紋診斷，通過提取機組在運行狀態下振動信號中的敏感特徵來診斷葉輪是否存在裂紋是一種更為有效的方法。故障診斷的核心任務是尋找敏感特徵指標，一個理想的葉輪裂紋診斷指標應當對工況和外界幹擾不敏感，而對損傷程度很敏感。其次，裂紋診斷指標還應滿足單調性的要求，並易於在工業現場實施。
【發明內容】
[0005]針對上述缺陷或不足，本發明的目的在於提供一種運行狀態下離心葉輪裂紋損傷的定量診斷方法，採用葉輪結構的有限元模型建立葉輪裂紋診斷資料庫，並通過將測試得到的診斷指標與裂紋診斷資料庫的數據進行對比，判斷葉輪是否存在裂紋，並在有裂紋的情況下定量地確定裂紋的深度。
[0006]為達到以上目的，本發明的技術方案為:
[0007]包括以下步驟:
[0008]I)葉輪裂紋的頻域定量診斷指標與裂紋診斷資料庫建立:
[0009]採用葉輪的有限元模型分析裂紋和失諧對葉輪結構諧振頻率的影響規律，獲得諧振頻率與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；根據該定量關係，得到基於諧振頻率偏移的離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷指標，並根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫；[0010]2)運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法:
[0011]通過離心壓縮機轉子的振動信號獲取裂紋葉輪的前若干階對裂紋敏感的諧振頻率，並計算諧振頻率偏移指標，將所得的諧振頻率偏移指標與已建立的葉輪裂紋診斷資料庫進行對比，獲得裂紋的深度，實現葉輪裂紋的定量診斷。
[0012]所述根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫包括:
[0013]I)獲取諧振頻率偏移量
[0014]諧振頻率偏移量為裂紋葉輪時的諧振頻率相對於無裂紋葉輪結構時諧振頻率的變化量，第i階諧振頻率的偏移量/Ji為:
[0015]
f:h=f:-n
[0016]其中，//與Λ1分別為裂紋葉輪和無裂紋葉輪的第i階諧振頻率；
[0017]2)對融合了裂紋和隨機失諧的裂紋葉輪結構的諧振頻率進行統計分析，得到諧振頻率偏移指標fsh與裂紋深度、失諧水平間的頻域定量關係式:
[0018]fsh = H(LC, σ)
[0019]其中，H表示頻率偏移指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；L。為裂紋深度變量，L。是由列離散的數據Ii, i = l，2，...，N。描述，其中N。為裂紋深度總數，σ為隨機參數的標準差，用來表示葉輪結構的失諧水平；
[0020]3)由計算得到對裂紋敏感的諧振頻率偏移指標，根據諧振頻率的統計規律，獲得諧振頻率偏移指標隨著裂紋深度變化的上下邊界值，根據上下邊界曲線所圍成的區域，得到裂紋的深度，建立葉輪裂紋的診斷資料庫。
[0021]所述的運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，具體包含的步驟如下:
[0022]I)首先，通過振動信號獲取對裂紋敏感的特徵頻率:
[0023]採用安裝在軸承座上的加速度傳感器，獲得含裂紋葉輪轉子系統的振動信號，對振動信號進行帶通濾波，保留對裂紋敏感的諧振頻率所在的頻帶成分，然後採用集成經驗模式分解方法對信號進行分解，提取諧振頻率成分的基本模式分量，再利用高精度傅立葉變換，獲得對裂紋敏感的諧振頻率；
[0024]2)其次，根據諧振頻率指標確定葉輪是否存在裂紋:
[0025]將測試得到的諧振頻率與無裂紋諧振頻率進行對比，計算諧振頻率的偏移量，根據諧振頻率的偏移量得到諧振頻率的偏移指標，將諧振頻率指標與給定的安全頻率範圍進行對比，如果測得的頻率指標低於給定的安全頻率範圍，則認為葉輪出現裂紋；否則認為葉輪沒有裂紋或者裂紋小於檢測值；其中，所述安全頻率範圍由裂紋深度為焊縫總長度的5%時的頻率偏移量。
[0026]3)最終，在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度:
[0027]在葉輪存在裂紋時，將諧振頻率偏移指標帶入到裂紋診斷資料庫中，並根據頻率指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係，確定裂紋深度所在的區間。
[0028]所述在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度具體包括:在諧振頻率偏移指標位置處作一條水平直線，直線分別與頻率指標的上下邊界曲線存在一個交點，交點對應的裂紋深度值即為裂紋深度的上下邊界值，進而實現葉輪裂紋的定量診斷。[0029]與現有技術比較，本發明的優勢為:
[0030]I)本發明採用實際葉輪的有限元模型，得到結構諧振頻率與裂紋深度和失諧水平間的定量關係，能夠定量地診斷裂紋的深度。
[0031]2)本發明採用機組在運行狀態下的振動信號，通過提取信號中的敏感頻率成分，實現在運行狀態下對葉輪狀態的判斷以及裂紋深度的定量診斷。
[0032]3)本發明整個分析和診斷的過程實現了正反問題的結合，為離心葉輪裂紋的定量診斷問題提供了一種有效的新技術。
[0033]4)本發明的診斷方法簡單可靠、成本低，便於在工程實踐中使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為離心壓縮機轉子結構的簡化示意圖；
[0035]圖2為裂紋葉輪結構的有限元模型；
[0036]圖3為第5階諧振頻率的上下邊界與失諧水平間的關係；
[0037]圖4為失諧水平下第5階諧振頻率偏移指標的分布；其中，(a)為在1.0%失諧水平下第5階諧振頻率偏移指標的分布；(b)為在2.0 %失諧水平下第5階諧振頻率偏移指標的分布；
[0038]圖5為第5階諧振頻率偏移指標的一個應用實例。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0040]本發明提出了一種頻域定量診斷方法。建立在葉輪裂紋診斷資料庫的基礎之上，通過將測試得到的診斷指標帶入到資料庫中，判斷葉輪是否產生裂紋，並在有裂紋情況下定量地確定裂紋的深度。
[0041]本發明提供了一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，包括以下步驟:
[0042]1、葉輪裂紋的頻域定量診斷指標與裂紋診斷資料庫建立:
[0043]採用葉輪的有限元模型分析裂紋和失諧對葉輪結構諧振頻率的影響規律，獲得諧振頻率與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；並根據該定量關係，得到基於諧振頻率偏移的離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷指標，並根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫；
[0044]所述根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫包括:
[0045]I)獲取諧振頻率偏移量
[0046]諧振頻率偏移量為裂紋葉輪時的諧振頻率相對於無裂紋葉輪結構時諧振頻率的變化量，第i階諧振頻率的偏移量/Ji為:
[0047]
f:h=f:~fo
[0048]其中，/；與< 分別為裂紋葉輪和無裂紋葉輪的第i階諧振頻率；
[0049]採用葉輪結構的有限元模型，通過模態綜合法對系統自由度進行縮減，並考慮裂紋和失諧對結構等效剛度的影響。裂紋深度變量L。是由一系列離散的數據Ii, i =1，2，...，N。描述的，其中N。為分析中考慮的裂紋深度總數。由於葉輪的失諧模式是難以測量的，因此採用了簡化的隨機失諧模式來模擬失諧效應，並將隨機參數的標準差σ定義為結構的失諧水平。諧振頻率偏移為裂紋葉輪的諧振頻率相對於無裂紋結構諧振頻率的變化
量，第i階諧振頻率的偏移量/i為:
[0050]2)對融合了裂紋和隨機失諧的裂紋葉輪結構的諧振頻率進行統計分析，得到諧振頻率偏移指標fsh與裂紋深度、失諧水平間的頻域定量關係式，即:
[0051]fsh = H (Lc, σ )
[0052]其中，H表示頻率偏移指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；L。為裂紋深度變量，σ表示葉輪結構的失諧水平；
[0053]3)由計算得到對裂紋敏感的諧振頻率偏移指標，根據諧振頻率的統計規律，獲得諧振頻率偏移指標隨著裂紋深度變化的上下邊界值，根據下邊界值的邊界曲線所圍成的區域，得到裂紋的深度，建立葉輪裂紋的診斷資料庫。
[0054]由計算得到對裂紋敏感的諧振頻率偏移指標，由於隨機失諧因素的存在，頻率偏移指標是建立在諧振頻率的統計規律的基礎之上。因此，在一定的失諧水平下，可以得到諧振頻率偏移指標隨著裂紋深度變化的上下邊界，根據頻率指標的邊界曲線所圍成的區域，得到裂紋的深度，實現裂紋的定量診斷。將對裂紋敏感的頻率指標綜合起來，即可建立葉輪裂紋的診斷資料庫。
[0055]2、運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法:
[0056]通過離心壓縮機轉子的振動信號獲取裂紋葉輪的前若干階對裂紋敏感的諧振頻率，並計算諧振頻率偏移指標，將所得的諧振頻率偏移指標與已建立的葉輪裂紋診斷資料庫進行對比，獲得裂紋的深度，實現葉輪裂紋的定量診斷，具體的，為了減少計算，可根據計算要求，獲取裂紋葉輪的前若干階對裂紋敏感的諧振頻率，不需要將葉輪的所有對裂紋敏感的諧振頻率獲取。
[0057]所述的運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，具體包含的步驟如下:
[0058]I)首先，通過振動信號獲取對裂紋敏感的特徵頻率:
[0059]採用安裝在軸承座上的加速度傳感器，獲得含裂紋葉輪轉子系統的振動信號，對振動信號進行帶通濾波，保留對裂紋敏感的諧振頻率所在的頻帶成分，然後採用集成經驗模式分解(EEMD Ensemble Empirical Mode Decomposition)方法對信號進行分解,提取諧振頻率成分的基本模式分量，再利用高精度傅立葉變換，獲得對裂紋敏感的諧振頻率；
[0060]2)其次，根據諧振頻率指標確定葉輪是否存在裂紋:
[0061]將測試得到的諧振頻率與無裂紋諧振頻率進行對比，計算諧振頻率的偏移量，根據諧振頻率的偏移量得到諧振頻率的偏移指標，將諧振頻率指標與給定的安全頻率範圍進行對比，如果測得的頻率指標低於給定的安全頻率範圍，則認為葉輪出現裂紋；否則認為葉輪沒有裂紋或者裂紋小於檢測值；
[0062]3)最終，在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度:安全頻率範圍由裂紋深度為焊縫總長度的5%時的頻率偏移量確定。
[0063]在葉輪存在裂紋時，將諧振頻率偏移指標帶入到裂紋診斷資料庫中，並根據頻率指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係，確定裂紋深度所在的區間。所述在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度具體包括:在諧振頻率偏移指標位置處作一條水平直線，直線分別與頻率指標的上下邊界曲線存在一個交點，交點對應的裂紋深度值即為裂紋深度的上下邊界值，進而實現葉輪裂紋的定量診斷。
[0064]示例性的，為建立葉輪裂紋的頻域定量診斷資料庫，採用實際葉輪的有限元模型分析裂紋和失諧對結構諧振頻率的影響。圖1為單葉輪轉子系統的結構示意圖，圖2為裂紋葉輪的有限元模型，其中，I為端蓋，2為葉片，3為輪盤，4為疲勞裂紋。在分析時，裂紋的呼吸效應以及結構失諧是不可忽略的重要因素。然而，直接採用結構的有限元模型來模擬裂紋的呼吸以及隨機失諧效應在計算上幾乎是不可能的，因此需要對系統的規模進行縮減。通過採用模態綜合法對系統自由度進行極大地縮減，並融合裂紋模型以及失諧效應，得到結構諧振頻率與裂紋深度以及失諧水平間的定量關係。
[0065]設經過自由度縮減的含裂紋失諧葉輪結構的動力學方程為:
【權利要求】
1.一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)葉輪裂紋的頻域定量診斷指標與裂紋診斷資料庫建立: 採用葉輪的有限元模型分析裂紋和失諧對葉輪結構諧振頻率的影響規律，獲得諧振頻率與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；根據該定量關係，得到基於諧振頻率偏移的離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷指標，並根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫； 2)運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法: 通過離心壓縮機轉子的振動信號獲取裂紋葉輪的前若干階對裂紋敏感的諧振頻率，並計算諧振頻率偏移指標，將所得的諧振頻率偏移指標與已建立的葉輪裂紋診斷資料庫進行對比，獲得裂紋的深度，實現葉輪裂紋的定量診斷。
2.根據權利要求1所述的一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，其特徵在於，所述根據諧振頻率偏移指標建立葉輪裂紋診斷資料庫包括: 1)獲取諧振頻率偏移量 諧振頻率偏移量為裂紋葉輪時的諧振頻率相對於無裂紋葉輪結構時諧振頻率的變化量，第i階諧振頻率的偏移量/Ji為: 其中，f:與Λ1分別為裂紋葉輪和無裂紋葉輪的第I階諧振頻率; 2)對融合了裂紋和隨機失諧的裂紋葉輪結構的諧振頻率進行統計分析，得到諧振頻率偏移指標fsh與裂紋深度、失諧水平間的頻域定量關係式:
fsh = H (Lc, O ) 其中，H表示頻率偏移指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係；L。為裂紋深度變量，L。是由列離散的數據Ii, i = 1，2，...，N。描述，其中N。為裂紋深度總數，σ為隨機參數的標準差，用來表示葉輪結構的失諧水平； 3)由計算得到對裂紋敏感的諧振頻率偏移指標，根據諧振頻率的統計規律，獲得諧振頻率偏移指標隨著裂紋深度變化的上下邊界值，根據上下邊界曲線所圍成的區域，得到裂紋的深度，建立葉輪裂紋的診斷資料庫。
3.根據權利要求1所述的一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，其特徵在於，所述的運行狀態下葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，具體包含的步驟如下: 1)首先，通過振動信號獲取對裂紋敏感的特徵頻率: 採用安裝在軸承座上的加速度傳感器，獲得含裂紋葉輪轉子系統的振動信號，對振動信號進行帶通濾波，保留對裂紋敏感的諧振頻率所在的頻帶成分，然後採用集成經驗模式分解方法對信號進行分解，提取諧振頻率成分的基本模式分量，再利用高精度傅立葉變換，獲得對裂紋敏感的諧振頻率； 2)其次，根據諧振頻率指標確定葉輪是否存在裂紋: 將測試得到的諧振頻率與無裂紋諧振頻率進行對比，計算諧振頻率的偏移量，根據諧振頻率的偏移量得到諧振頻率的偏移指標，將諧振頻率指標與給定的安全頻率範圍進行對t匕，如果測得的頻率指標低於給定的安全頻率範圍，則認為葉輪出現裂紋；否則認為葉輪沒有裂紋或者裂紋小於檢測值；其中，所述安全頻率範圍由裂紋深度為焊縫總長度的5%時的頻率偏移量； 3)最終，在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度: 在葉輪存在裂紋時，將諧振頻率偏移指標帶入到裂紋診斷資料庫中，並根據頻率指標與裂紋深度、失諧水平間的定量關係，確定裂紋深度所在的區間。
4.根據權利要求3所述的一種運行狀態下離心壓縮機葉輪裂紋的頻域定量診斷方法，其特徵在於，所述在確定有裂紋的情況下，定量診斷出裂紋的深度具體包括:在諧振頻率偏移指標位置處作一條水平直線，直線分別與頻率指標的上下邊界曲線存在一個交點，交點對應的裂紋深 度值即為裂紋深度的上下邊界值，進而實現葉輪裂紋的定量診斷。
【文檔編號】G01N29/12GK103983697SQ201410195623
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月9日 優先權日:2014年5月9日
【發明者】訾豔陽, 王帥, 李兵, 陳景龍, 曹宏瑞, 成瑋, 張春林, 萬志國 申請人:西安交通大學