劉美茹，朱　靖，滕光蓉，李光輝

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子葉片裂紋故障試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉美茹，朱靖，滕光蓉，李光輝

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

采用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量模擬轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)特性，通過單自由度和周向傅立葉兩種分析方法，擬合并計(jì)算出葉片共振時(shí)的幅值、動(dòng)頻、轉(zhuǎn)速、激勵(lì)階次等。試驗(yàn)結(jié)果表明，葉片出現(xiàn)裂紋后，葉片動(dòng)頻顯著下降。動(dòng)頻結(jié)果與錘擊法測(cè)量葉片靜頻結(jié)果對(duì)比表明，動(dòng)頻結(jié)果更接近真實(shí)情況。該系統(tǒng)可有效識(shí)別葉片裂紋，其成功運(yùn)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)或建立葉片裂紋故障在線監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子葉片；裂紋；振動(dòng)特性；錘擊法；動(dòng)頻；靜頻

1　引言

轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要部件，其葉片在運(yùn)行中工作條件苛刻、所受載荷復(fù)雜，加之因葉片設(shè)計(jì)參數(shù)或運(yùn)行工況使葉片自振頻率與工況激振頻率一致而發(fā)生共振破壞，或因制造、安裝和工況環(huán)境造成葉片抗疲勞能力降低，所以長(zhǎng)期運(yùn)行的轉(zhuǎn)子，會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋，最終引起葉片斷裂［1-2］，造成機(jī)組損壞。因此，對(duì)裂紋葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行分析特別重要。

目前，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方面，大多采用CAD軟件建立轉(zhuǎn)子葉片的三維實(shí)體模型［3］，通過有限元軟件對(duì)裂紋葉片進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，但建模模擬計(jì)算與實(shí)際葉片工作存在一定差異。另外，轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生裂紋后，其剛度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也會(huì)發(fā)生變化，使得產(chǎn)生非平衡信號(hào)，特別是當(dāng)葉片有微小裂紋時(shí)，其缺陷信號(hào)通常被其他零部件的振動(dòng)信號(hào)和隨機(jī)噪聲所淹沒［4-5］。國(guó)內(nèi)外曾有人用裂紋懸臂梁的振動(dòng)特性來研究裂紋葉片的振動(dòng)特性，但其分析模型與真實(shí)葉片存在差距，具有局限性。

針對(duì)上述情況，本文利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)記葉片出現(xiàn)裂紋前后的動(dòng)頻、共振轉(zhuǎn)速及激勵(lì)階次，并與傳統(tǒng)錘擊法測(cè)量標(biāo)記葉片出現(xiàn)裂紋前后的靜頻進(jìn)行對(duì)比。

2　非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的分析原理

基于葉尖定時(shí)原理的非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量，是將多個(gè)非接觸傳感器沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對(duì)靜止的殼體上，利用傳感器感受在它前面通過的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。假定葉片不發(fā)生振動(dòng)，可根據(jù)每個(gè)葉片在轉(zhuǎn)子上的周向位置和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算出葉片到達(dá)傳感器的時(shí)間。實(shí)際上葉片是振動(dòng)的，所以葉片端部相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?huì)向前或向后偏移，使得到達(dá)傳感器的實(shí)際時(shí)間與假定葉片不振動(dòng)時(shí)到達(dá)傳感器的時(shí)間不相等，即脈沖到達(dá)時(shí)間發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差，對(duì)該時(shí)間差信號(hào)序列進(jìn)行分析處理，即可得到葉片振動(dòng)位移信息，計(jì)算出葉片振動(dòng)的振幅和頻率。同時(shí)，借助基準(zhǔn)同步信號(hào)，還可以對(duì)每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的振動(dòng)進(jìn)行分析［6-8］。非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，主要由光纖傳感器、光學(xué)前置放大器和數(shù)采系統(tǒng)組成。

本次試驗(yàn)所用非接觸式旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的同步振動(dòng)分析方法，分為單自由度（SDOF）算法和周向傅立葉算法。單自由度算法的原理是每個(gè)傳感器每轉(zhuǎn)只能檢測(cè)到一次葉片振動(dòng)，最終葉片經(jīng)共振區(qū)后采集的數(shù)據(jù)是一組離散數(shù)據(jù)。這些離散數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)葉片共振時(shí)不同相位下的振動(dòng)曲線（如圖1藍(lán)色區(qū)域中的曲線），通過計(jì)算來擬合不同傳感器的振動(dòng)曲線（圖中以不同顏色表示）。所有擬合曲線都包絡(luò)在藍(lán)色區(qū)域中，所以每條曲線的最大值都不會(huì)超過振動(dòng)幅值。所有曲線都包含了相同的葉片共振的幅值和振動(dòng)轉(zhuǎn)速，只是相位有些區(qū)別。然后根據(jù)激勵(lì)階次可計(jì)算振動(dòng)頻率。單傳感器檢測(cè)到的葉片的共振頻率和共振幅值精度相對(duì)較低。

周向傅立葉算法使用與單自由度算法不同的數(shù)學(xué)方法處理葉片同步振動(dòng)。對(duì)于每個(gè)轉(zhuǎn)速/時(shí)間點(diǎn)，周向傅立葉算法采用最小均方根誤差原理將數(shù)據(jù)向周向正弦波擬合。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它給出了一個(gè)瞬間結(jié)果，可更好地理解復(fù)雜振型（非單自由度）的響應(yīng)，且測(cè)量精度較高。結(jié)果輸出每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值、相位和偏差，與應(yīng)變片做的階次跟蹤結(jié)果非常類似。基于轉(zhuǎn)速畫出計(jì)算的幅值和相位，就得到了常見的共振圖。采用這種方法，需要在機(jī)匣同一圓周方向上布置大于等于三支傳感器。

3　試驗(yàn)方法

葉片動(dòng)頻測(cè)試試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院某設(shè)備上進(jìn)行（圖2），模擬轉(zhuǎn)子由電機(jī)帶轉(zhuǎn)。模擬轉(zhuǎn)子共有8片葉片，在其前端鍵槽部位安裝一支光纖傳感器為數(shù)采系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速信號(hào)（每轉(zhuǎn)一個(gè)信號(hào)，同時(shí)提供速度參考和相位參考）。根據(jù)非接觸式旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中單自由度算法和周向傅立葉算法需要，在模擬機(jī)匣上安裝了三支非接觸式光纖振動(dòng)傳感器。定義機(jī)匣上方最左端位置傳感器為0號(hào)傳感器，安裝角度為0°，順時(shí)針1號(hào)傳感器角度為18°，2號(hào)傳感器為36°。系統(tǒng)默認(rèn)定義：當(dāng)鍵槽通過轉(zhuǎn)速傳感器后，第一個(gè)通過0號(hào)傳感器的葉片為1號(hào)葉片。分析表明，本試驗(yàn)標(biāo)記葉片為該系統(tǒng)的5號(hào)葉片。

圖2　R基于非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)頻測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Dynamic frequency testing system based on the non-contact rotating b lade vibrationmeasurementsystem

試驗(yàn)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為：電機(jī)啟動(dòng)到2 000 r/m in后，300 s勻速上升到14 000 r/m in，峰值保持5 s后，100 s勻速下降到2 000 r/min。利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬轉(zhuǎn)子各葉片在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)位移。離線處理時(shí)，利用單自由度和周向傅立葉分析兩種共振分析方法，可準(zhǔn)確獲取標(biāo)記葉片的共振幅值、共振轉(zhuǎn)速、共振頻率及激勵(lì)階次。本次試驗(yàn)進(jìn)行兩次起動(dòng)，第一次起動(dòng)為葉片完好狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)特性試驗(yàn)。第二次起動(dòng)前，利用線切割技術(shù)對(duì)5號(hào)葉片葉根部位加工一道裂紋。為考慮激勵(lì)階次對(duì)葉片振動(dòng)的影響，第一次起動(dòng)時(shí)，采用一定壓力的連續(xù)氣流直接對(duì)葉片進(jìn)行激振；第二次試驗(yàn)過程中，沒有對(duì)葉片進(jìn)行激振。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)后利用錘擊法對(duì)5號(hào)葉片的靜頻進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，將8片模擬葉片裝載在模擬轉(zhuǎn)軸上，使其處于自由狀態(tài)。將一支接觸式加速度傳感器粘貼在5號(hào)葉片上，利用力錘單點(diǎn)激振、單點(diǎn)拾振，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)采集的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)做傳遞函數(shù)分析，進(jìn)而輸出模擬葉片靜頻。測(cè)量頻率范圍為0～2.5 kHz，頻譜分析精度不低于2Hz。

4　試驗(yàn)結(jié)果

4.1非接觸振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果分析

模擬轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)中，利用非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)8片模擬葉片的實(shí)時(shí)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出各葉片各狀態(tài)下的同步振動(dòng)和異步振動(dòng)。試驗(yàn)后，利用單自由度和周向傅立葉算法對(duì)5號(hào)葉片的固有頻率進(jìn)行分析，結(jié)果如表1、表2所示。第一次試驗(yàn)過程中采用了氣流激振，在11 800 r/min左右葉片有明顯共振現(xiàn)象，激勵(lì)階次為9階；第二次試驗(yàn)過程中沒有對(duì)葉片進(jìn)行激振，在12 600 r/min左右5號(hào)葉片才有共振，且激勵(lì)階次為8階。

表1　R 5號(hào)葉片出現(xiàn)裂紋前后的固有頻率特性（單自由度算法）Table 1 Natural frequency feature of the fifth blade before and after a crack（SDOFCurve Fit）

表2　R 5號(hào)葉片出現(xiàn)裂紋前后的固有頻率特性（周向傅立葉算法Table 2 Natural frequency feature of the fifth blade before and after a crack（Circum ferential Fourier Fit）

（1）葉片無裂紋時(shí)的測(cè)量情況

葉片無裂紋時(shí)，8片葉片的同步振動(dòng)情況一致，在轉(zhuǎn)速11 880～11 900 r/min時(shí)，各葉片產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3　R各葉片的振動(dòng)情況（無切割裂紋）Fig.3 Vibration conditions of all the b lades（withouta crack）

利用單自由度方法對(duì)5號(hào)葉片的動(dòng)頻進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。0號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 902 r/min，5號(hào)葉片的共振幅值為9.5μm；1號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 882 r/m in，5號(hào)葉片的共振幅值為11.3μm；2號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為11 892 r/m in，5號(hào)葉片的共振幅值為18.9μm。計(jì)算出的激勵(lì)階次均為9階，從而得出5號(hào)葉片在無裂紋時(shí)的固有頻率約為1 784 Hz。

圖4　R單自由度算法葉片共振頻譜圖（無切割裂紋）Fig.4 Synchronization vibration spectrogram using SDOFCurve Fit（withouta crack）

利用周向傅立葉算法分析的結(jié)果如圖5所示，得出5號(hào)葉片的固有頻率為1 782 Hz。共振轉(zhuǎn)速為11 882 r/m in，共振幅值為19.3μm，激勵(lì)階次為9階。

（2）葉片有裂紋時(shí)的測(cè)量情況

葉片有裂紋時(shí)，5號(hào)葉片在轉(zhuǎn)速約為12 600 r/min時(shí)，有明顯的共振情況發(fā)生，如圖6所示。

圖5　R周向傅立葉算法葉片共振頻率圖（無切割裂紋）Fig.5 Synchronization vibration spectrogram using Circum ferential Fourier Fit（withouta crack）

圖6　R各葉片的振動(dòng)情況（有切割裂紋）Fig.6 Vibration conditionsofall the blades（with a crack on the fifth blade）

利用單自由度方法對(duì)5號(hào)葉片的動(dòng)頻進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。0號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 663 r/min，振動(dòng)幅值為21.4μm；1號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 664 r/min，振動(dòng)幅值為66.4μm；2號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)出葉片的共振轉(zhuǎn)速為12 664 r/m in，振動(dòng)幅值為45.4μm。計(jì)算出的激勵(lì)階次均為8階，從而得出5號(hào)葉片出現(xiàn)裂紋后的固有頻率約為1 688Hz。

利用周向傅立葉算法分析的結(jié)果如圖8所示，得出5號(hào)葉片的固有頻率為1 689 Hz。共振轉(zhuǎn)速為12 665 r/min，共振幅值為64.5μm，激勵(lì)階次為8階。

4.2錘擊法測(cè)量葉片靜頻的試驗(yàn)結(jié)果分析

利用錘擊法先后對(duì)5號(hào)葉片無裂紋和有切割裂紋時(shí)的靜頻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為：無裂紋時(shí)葉片固有頻率為1 742 Hz，有裂紋時(shí)葉片固有頻率為1 640 Hz。可見，裂紋的存在使得葉片的固有頻率降低。

圖7　R單自由度算法葉片共振頻率圖（有切割裂紋）Fig.7 Synchronization vibration spectrogram using SDOFCurve Fit（with a crack on the fifth blade）

圖8　R周向傅立葉算法葉片共振頻率圖（有切割裂紋）Fig.8 Synchronization vibration spectrogram using Circum ferential Fourier Fit（with a crack on the fifth blade）

4.3測(cè)量結(jié)果對(duì)比

采用單自由度和周向傅立葉算法分析得到的裂紋葉片的固有頻率基本一致，即無裂紋時(shí)約為1 782Hz，有裂紋時(shí)約為1 689Hz。

第一次試驗(yàn)采用了氣流對(duì)葉片激振的方法，故在11 800 r/min左右出現(xiàn)了9階次的共振；第二次試驗(yàn)中沒有采用氣流對(duì)葉片激振的方法，故5號(hào)葉片（有裂紋）在12 600 r/min左右出現(xiàn)了8階次的共振，而其他葉片共振轉(zhuǎn)速更高。

非接觸振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的是旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)頻，錘擊法測(cè)量的是旋轉(zhuǎn)葉片的靜頻，動(dòng)頻比靜頻略高，從測(cè)量數(shù)據(jù)看與此規(guī)律較為吻合。兩者結(jié)果比較一致，與理論計(jì)算的第一階固有頻率1 776Hz一致。

5　結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子葉片有裂紋時(shí)，葉片的固有頻率將降低，這一結(jié)論可作為葉片是否產(chǎn)生裂紋的一個(gè)判據(jù)。

（2）非接觸振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉片的共振監(jiān)測(cè)中，所測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，將在葉片裂紋監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用。

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Non-con tact rotating blade vibrationm easu rem ent system in rotor blade crack fault test

LIU Mei-ru，ZHU Jing，TENG Guang-rong，LIGuang-hui （China gas turbine establishment，Jiangyou 621703，China）

Using non-contact rotating blade vibration measurement system，the resonance amp litude，dynamic frequency，resonance speed and excitation orderwere obtained with themethods of Single Degree of Freedom（SDOF）Curve Fitand Circum ferential Fourier Fit.The results showed that the dynamic frequency of the cracked blade dropped significantly.Compared with the static frequencymeasured by the hammering method，it showed that the dynamic frequency was closer to the real situation.The system can effectively identify the existence of blade crack.The establishment of the system has great significance to the on-line monitoring technology of the blade crack fault.

non-contact rotating blade vibrationmeasurement system；rotorblade；crack；vibration characteristics；hammeringmethod；dynamic frequency；static frequency

劉美茹（1987-），女，滿族，遼寧丹東人，助理工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)測(cè)試與分析工作。

V263.6

A

1672-2620（2015）02-0045-04

2014-04-13；修回日期：2014-07-22