江志農(nóng),王 鐘,胡明輝*,馮 坤,賀 雅

(1.北京化工大學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;2.北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

0 引 言

燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度大、啟動(dòng)快、污染小等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于能源、電力等工業(yè)領(lǐng)域。葉片作為燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心部件,長(zhǎng)期受到高離心力、氣動(dòng)力等復(fù)雜交變載荷的作用[1，2],致使其故障頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì),葉片故障在燃?xì)廨啓C(jī)總故障中占42%[3],其中,動(dòng)葉片斷裂為其主要故障形式。一旦發(fā)生動(dòng)葉片斷裂故障,將顯著影響機(jī)組性能效率,若不能在斷裂前或斷裂瞬態(tài)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警與診斷,高速脫落的葉片還會(huì)打傷其余葉片及機(jī)匣,甚至引發(fā)燃機(jī)損毀的嚴(yán)重事故。

研究出葉片在特定故障模式下表現(xiàn)出的敏感特征,是準(zhǔn)確、有效識(shí)別葉片故障的重要前提。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要取得了以下兩方面成果:

(1)基于模態(tài)參數(shù)識(shí)別的葉片故障診斷方法。大量研究表明:葉片結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí),必然引起模態(tài)參數(shù)(包括葉片固有頻率、阻尼和振型)的改變[4-6]。YU M等[7]提出了一種基于固有頻率變化特性的風(fēng)扇葉片損傷檢測(cè)方法。吳琪強(qiáng)等[8]提出了基于任意兩階固有頻率變化比的葉片裂紋定位參數(shù)及定位準(zhǔn)則。李錄平等[9]研究了不同損傷位置和不同損傷程度下裂紋對(duì)葉片固有振動(dòng)的影響。

利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別葉片損傷的前提是精確掌握葉片的模態(tài)參數(shù),從實(shí)測(cè)信號(hào)中準(zhǔn)確分離固有振動(dòng)分量,然而在應(yīng)用中存在很大的局限性,如:(1)模態(tài)參數(shù)具有明顯的個(gè)體差異特性,導(dǎo)致前期需開(kāi)展大量、復(fù)雜的重復(fù)性測(cè)試;(2)葉片振動(dòng)信號(hào)在薄壁機(jī)匣、彈性支承等結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)程中嚴(yán)重衰減并混入大量噪聲,難以在實(shí)測(cè)信號(hào)中準(zhǔn)確分離出葉片固有振動(dòng)成分。

(2)基于動(dòng)力學(xué)模型的響應(yīng)特性研究,即通過(guò)分析故障葉片的振動(dòng)響應(yīng)，獲取故障敏感特征[10,11]。ZHANG Kai等[12]提出了一種基于葉片裂紋動(dòng)態(tài)特性的呼吸式裂紋檢測(cè)新方法。馬艷紅[13]、洪杰[14]等研究了葉片丟失激勵(lì)下轉(zhuǎn)子和整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。王艾倫等[15]提出了時(shí)域響應(yīng)不對(duì)稱(chēng)、頻率偏移、諧波共振，作為更有效的葉片裂紋監(jiān)測(cè)特征量。目前,基于響應(yīng)特性分析的葉片故障診斷方法已取得一些兼具學(xué)術(shù)和工程價(jià)值的研究結(jié)論,但仍有以下不足需深入考慮:(1)從故障機(jī)理角度鮮見(jiàn)探究葉片故障引起的附加激振力,導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)際物理過(guò)程存在一定差異;(2)提出的故障特征不便于提取與監(jiān)測(cè),需進(jìn)一步探索如何將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文以機(jī)匣-靜葉為研究對(duì)象,充分考慮動(dòng)葉斷裂對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)特性的影響,將定量描述的斷裂故障附加激振力引入動(dòng)力學(xué)分析,建立故障葉片模型及振動(dòng)方程;利用計(jì)算效率較高的Newmark-β法求解振動(dòng)響應(yīng),著重分析動(dòng)葉斷裂故障下的主要響應(yīng)特性,研究便于監(jiān)測(cè)的故障機(jī)理特征;筆者進(jìn)一步提出基于小波變換的葉片斷裂故障識(shí)別方法,結(jié)合故障機(jī)理特征實(shí)現(xiàn)葉片斷裂的準(zhǔn)確識(shí)別,通過(guò)分析某型燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂故障數(shù)據(jù),證實(shí)所提機(jī)理特征及故障識(shí)別方法的有效性。

1 葉片斷裂故障振動(dòng)特征研究

1.1 動(dòng)葉斷裂激勵(lì)下動(dòng)力學(xué)模型

在結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)特性研究中,建立合理的動(dòng)力學(xué)模型是問(wèn)題分析的關(guān)鍵。與斷裂動(dòng)葉相鄰的機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)受故障影響顯著,其振動(dòng)響應(yīng)可有效反映斷裂激勵(lì)特征。因此,筆者選取機(jī)匣-靜葉為研究對(duì)象,分析動(dòng)葉斷裂引起的附加激勵(lì)特征,建立動(dòng)葉斷裂激勵(lì)下的機(jī)匣-靜葉動(dòng)力學(xué)模型及振動(dòng)方程。

1.1.1 機(jī)匣-靜葉分析模型

為盡可能接近實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)葉片結(jié)構(gòu),同時(shí)兼顧動(dòng)響應(yīng)求解的復(fù)雜程度,筆者在建立機(jī)匣-靜葉分析模型時(shí)作如下假設(shè)[16]:(1)靜子葉片均視為等截面直葉片;(2)忽略葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軸向彎曲振動(dòng),僅考慮橫向彎曲振動(dòng)。

基于上述假設(shè),筆者設(shè)葉片數(shù)為4，建立機(jī)匣-靜葉動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 機(jī)匣-靜葉動(dòng)力學(xué)模型mi—靜葉質(zhì)量;ki—靜葉剛度;ci—靜葉阻尼;kci—葉片間耦合剛度,且滿足R2=kci/ki;R—葉片耦合度;xi—靜葉沿機(jī)匣圓周上的橫向位移;fi—靜葉所受激振力

機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)在動(dòng)葉斷裂激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)方程可表示為:

(1)

動(dòng)葉斷裂主要破壞了轉(zhuǎn)子葉片自身結(jié)構(gòu),而靜葉結(jié)構(gòu)未受影響,故機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)的固有屬性參數(shù)保持不變。根據(jù)周期性結(jié)構(gòu)的循環(huán)對(duì)稱(chēng)性質(zhì),各靜子葉片應(yīng)具有相同的質(zhì)量、阻尼和剛度特性,則:mi=m,ci=c,ki=k,kci=kc,i=1,2,3,4;結(jié)合隔離體受力分析和達(dá)朗貝爾原理,即可獲得上式(1)中的各系數(shù)矩陣M、C和K。

燃?xì)廨啓C(jī)靜子葉片主要受前級(jí)動(dòng)葉產(chǎn)生的尾流激振力作用[17],并且靜葉前端的激勵(lì)流場(chǎng)受轉(zhuǎn)子葉片狀態(tài)影響,因此,動(dòng)葉斷裂后機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)的外激勵(lì)特性會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

接下來(lái),筆者將重點(diǎn)研究動(dòng)葉尾流激振力產(chǎn)生機(jī)理及其變化特性。

1.1.2 附加激勵(lì)特征

氣流在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程中,由于受到動(dòng)葉的加速和間隔作用,會(huì)導(dǎo)致氣流流場(chǎng)分布不均勻,形成一股股“氣流柱”。

動(dòng)葉尾流激振力空間分布如圖2所示。

圖2 動(dòng)葉尾流激振力空間分布Zr—前一級(jí)動(dòng)葉數(shù)目;i—靜葉編號(hào);若靜葉數(shù)目用Zs表示,即Zs=4

靜葉每相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)動(dòng)葉通道時(shí),便受到一次氣柱的沖擊,形成周期性氣體激振力fw,且該激振力近似滿足:

fw=q·S

(2)

式中:q—尾流激振力強(qiáng)度,表示單位面積靜葉上的尾流激振力大小;S—靜葉表面氣流作用面積。

其激振力頻率為:

fB=Zr·(Ω/60)

(3)

式中:Ω—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min。

則機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)中第i#靜葉受到的動(dòng)葉尾流激振力如下[18]:

(4)

式中:k—激振力階次;f0—平均氣流力;fk—第k階激振力幅值,滿足fk=Sk·f0;Sk—激振因子,其取值與k相關(guān)[19];ω—轉(zhuǎn)子角速度,rad/s;Δθ—靜葉夾角,且Δθ=2π/Zs。

當(dāng)前一級(jí)動(dòng)葉發(fā)生斷裂故障時(shí),靜葉前端的氣流激勵(lì)場(chǎng)受其影響,較初始正常狀態(tài)出現(xiàn)明顯變化。

斷裂狀態(tài)下的動(dòng)葉尾流激振力示意圖如圖3所示。

圖3 斷裂狀態(tài)下的動(dòng)葉尾流激振力示意圖

斷裂動(dòng)葉出口處的尾流激振力強(qiáng)度減小,且減小量與斷裂系數(shù)G(本文定義G為斷裂后葉片與原葉片表面積之比)相關(guān),而該級(jí)其余動(dòng)葉出口處的尾流激振力強(qiáng)度保持不變;另外,靜葉表面氣流作用面積S同樣未變。

由圖3(b)可知,對(duì)于某一固定的零時(shí)刻,i#靜葉相對(duì)進(jìn)入和離開(kāi)斷裂動(dòng)葉產(chǎn)生的尾流激振力作用范圍時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度分別為11π/28+(i-1)·Δθ與13π/28+(i-1)·Δθ,在該角度范圍內(nèi)i#靜葉受到的尾流激振力將減小。

因此,動(dòng)葉斷裂后機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)受到的動(dòng)葉尾流激振力如下:

(5)

式中:K—常數(shù),其取值為0,1,2,...。

并且,當(dāng)激振力階次k取1時(shí),具有如圖3(b)所示的激振力大小分布。

1.1.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

對(duì)于本文建立的四自由度機(jī)匣-靜葉系統(tǒng),筆者將前述分析結(jié)果代入式(1),即可獲得動(dòng)葉斷裂激勵(lì)下系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的完整表達(dá)式:

(6)

或:

t∈others

(7)

1.2 葉片系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析

動(dòng)葉斷裂激勵(lì)下,燃?xì)廨啓C(jī)葉片系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)一定的振動(dòng)響應(yīng)。為充分研究該響應(yīng)規(guī)律,前面筆者已經(jīng)建立了機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,如式(6,7)所示。

接下來(lái),筆者選取Newmark-β法求解上述方程,開(kāi)展葉片系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析,并進(jìn)一步提煉葉片斷裂故障機(jī)理特征。

1.2.1 參數(shù)設(shè)置

模型求解時(shí)設(shè)置各參數(shù)取值如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

1.2.2 振動(dòng)響應(yīng)分析

斷裂系數(shù)G是描述機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)所受外界激振力的定量參數(shù),筆者將其分別設(shè)置為0.8、0.6、0.4和0.2,以模擬不同動(dòng)葉斷裂程度下產(chǎn)生的附加激振力。仿真上述激勵(lì)條件下各靜葉振動(dòng)響應(yīng),所得規(guī)律基本一致。

G=0.6時(shí)1#靜葉的振動(dòng)位移時(shí)域波形如圖4所示(在第1 s引入動(dòng)葉斷裂故障)。

圖4 1#靜葉時(shí)域響應(yīng)

由圖4可知,動(dòng)葉斷裂后時(shí)域響應(yīng)中出現(xiàn)了明顯的沖擊衰減效應(yīng):斷裂前,其穩(wěn)態(tài)振動(dòng)幅值較小;斷裂瞬間,瞬態(tài)振動(dòng)幅值突增,隨后又衰減至另一穩(wěn)態(tài)。

分別取斷裂前、后的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析其頻域特性,如圖5所示。

圖5 1#靜葉頻域響應(yīng)

由圖5可知,斷裂前、后的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)以強(qiáng)迫激勵(lì)頻率為主導(dǎo),其中480 Hz為斷裂級(jí)動(dòng)葉通過(guò)頻率,且該頻率成分幅值在動(dòng)葉斷裂后有所減小;另外,葉片斷裂同時(shí)還激起了較多諧波頻率成分。

1.2.3 故障機(jī)理特征

根據(jù)前面的振動(dòng)響應(yīng)分析可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論系統(tǒng)處于正?；蚬收蠣顟B(tài),葉片通過(guò)頻率均為主要激振頻率,研究該頻率成分在故障前、后的變化特性對(duì)于準(zhǔn)確掌握葉片斷裂故障特征至關(guān)重要。

筆者針對(duì)不同動(dòng)葉斷裂程度下的動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值變化規(guī)律進(jìn)行了仿真分析,其結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值變化趨勢(shì)

由圖6可知,動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值在葉片斷裂瞬間發(fā)生階躍式突變,斷裂后的幅值較初始狀態(tài)有所下降;并且隨著故障程度的不斷加深,階躍式下降趨勢(shì)愈加明顯。

基于以上變化規(guī)律,筆者選取動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值作為葉片斷裂故障機(jī)理特征,借助其在故障發(fā)生時(shí)的階躍式突變特性識(shí)別葉片斷裂。

2 葉片斷裂故障識(shí)別方法

如前文所述,當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片發(fā)生斷裂故障時(shí),斷裂動(dòng)葉所在的對(duì)應(yīng)級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值呈現(xiàn)出階躍式突降特性。若要利用該特性進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)斷裂瞬態(tài)的有效捕捉,特征突變點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測(cè)是必須研究和掌握的。

小波變換是一種時(shí)-頻分析方法[20],具有突出的空間局部性,能夠有效地從原始信號(hào)中提取出故障瞬變信息;同時(shí),它還具備多分辨率分析能力,應(yīng)用于動(dòng)態(tài)變化的燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)具有顯著優(yōu)勢(shì)。以上兩特性使其成為了檢測(cè)信號(hào)突變點(diǎn)的強(qiáng)力工具。

2.1 基于小波變換的突變點(diǎn)檢測(cè)原理

對(duì)具有瞬時(shí)突變的原始信號(hào)而言,一般是將信號(hào)的突變性與小波變換系數(shù)相聯(lián)系,通過(guò)檢測(cè)小波變換系數(shù)的局部極值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn)位置達(dá)到準(zhǔn)確定位原信號(hào)突變點(diǎn)的目的。下面筆者對(duì)基于小波變換的突變點(diǎn)檢測(cè)原理進(jìn)行分析。

設(shè)小波函數(shù)φ(t)∈L2(R),L2(R)為實(shí)數(shù)域平方可積空間。用于信號(hào)突變點(diǎn)檢測(cè)的小波變換通常采用卷積形式,對(duì)于任意待檢測(cè)的原始信號(hào)f(t)∈L2(R),其卷積型小波變換定義為:

(8)

式中:Wf—小波變換系數(shù);*—卷積運(yùn)算符;s—尺度參數(shù),且s>0。

在尺度s下,小波函數(shù)φs(t)與φ(t)存在關(guān)系:

(9)

設(shè)θ(t)為具有低通性質(zhì)的平滑函數(shù),通常取為高斯函數(shù)或規(guī)范B-樣條函數(shù)。一般地,θ(t)有[21]:

(10)

(11)

若以滿足上述條件的平滑函數(shù)θ(t)的一階導(dǎo)數(shù)作為小波,即φ(t)=dθ(t)/dt。將其代入上式(9),則可獲得尺度s下的小波函數(shù)表達(dá)式:

(12)

此時(shí),對(duì)原始信號(hào)f(t)進(jìn)行小波變換,由式(8,12)和卷積性質(zhì)則有:

(13)

式中:f(t)*θs(t)—平滑算子,表示原始信號(hào)在尺度s下經(jīng)過(guò)平滑函數(shù)“磨光”后的信號(hào)。

實(shí)際上,信號(hào)突變點(diǎn)檢測(cè)是先在不同尺度上對(duì)原信號(hào)進(jìn)行平滑處理,再由“磨光”后信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)檢測(cè)原信號(hào)突變點(diǎn)。而由式(13)可知,小波變換系數(shù)Wf恰與“磨光”后信號(hào)f(t)*θs(t)的一階導(dǎo)數(shù)成正比。因此,利用小波變換系數(shù)的局部極值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn)即可準(zhǔn)確檢測(cè)出原信號(hào)的瞬時(shí)突變。

具體而言,對(duì)于某一固定尺度s,若待檢測(cè)的原始信號(hào)f(t)中存在瞬時(shí)突變點(diǎn)t0,則其小波變換系數(shù)Wf將在t=t0處取得局部極值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn),并分別對(duì)應(yīng)于原信號(hào)的階躍型突變或單點(diǎn)跳變,且前者有如下性質(zhì):若局部極值點(diǎn)所在峰值Pwf>0,表示突變類(lèi)型為階躍上升;若Pwf<0,則表示階躍下降。

2.2 基于突變點(diǎn)檢測(cè)的葉片斷裂故障識(shí)別方法

基于小波變換突變點(diǎn)檢測(cè)算法,結(jié)合前文提出的故障機(jī)理特征響應(yīng)規(guī)律,筆者建立燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂故障識(shí)別方法,如圖7所示。

圖7 基于突變點(diǎn)檢測(cè)的葉片斷裂故障識(shí)別方法

斷裂故障識(shí)別具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)采集某一穩(wěn)定工況下燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù),并以此作為模型輸入;

(2)開(kāi)展故障特征提取,構(gòu)造以動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值為目標(biāo)元素的機(jī)理特征向量N(t);

(3)選取具有低通性質(zhì)的高斯函數(shù)作為平滑函數(shù)θ(t),并以高斯函數(shù)的一階導(dǎo)構(gòu)造小波函數(shù)。在尺度s下,本文構(gòu)造的小波函數(shù)如下:

(14)

(4)利用步驟3構(gòu)造的小波函數(shù)φs(t)對(duì)特征向量N(t)進(jìn)行小波變換,即Wf=N(t)*φs(t),構(gòu)造小波變換系數(shù)向量;

(5)判斷Wf中各元素是否為局部極值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果為局部極值點(diǎn)時(shí)進(jìn)入步驟(6),否則在對(duì)應(yīng)元素位置輸出“0”;

(6)檢測(cè)局部極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)峰值Pwf;

(7)判斷Pwf是否為最大負(fù)峰值。若滿足,在對(duì)應(yīng)元素位置輸出“1”,結(jié)合故障機(jī)理特征響應(yīng)規(guī)律可知,“1”對(duì)應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生葉片斷裂故障;否則,在對(duì)應(yīng)元素位置輸出“0”,認(rèn)為未發(fā)生葉片斷裂故障,從而最終形成葉片斷裂故障檢測(cè)向量。

2.3 仿真信號(hào)分析

借助一組理想仿真信號(hào),筆者對(duì)前面提出的葉片斷裂故障識(shí)別方法進(jìn)行初步驗(yàn)證。

仿真生成的特征向量N(t),用于表示某一穩(wěn)定工況下提取的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值跟蹤信號(hào),如圖8所示。

圖8 仿真生成的特征向量N(t)

其中,樣本點(diǎn)160位置處設(shè)置階躍下降突變點(diǎn),模擬葉片斷裂引起的幅值突變;而樣本點(diǎn)70和340位置處分別設(shè)置單點(diǎn)跳變和階躍上升突變點(diǎn),模擬其他因素(非葉片斷裂)引起的類(lèi)似突變現(xiàn)象。

筆者利用式(14)所示的小波函數(shù)對(duì)上述仿真信號(hào)進(jìn)行小波變換,建立小波變換系數(shù)向量,如圖9所示。

圖9 小波變換系數(shù)向量

由圖9可知,經(jīng)過(guò)小波函數(shù)處理后,樣本點(diǎn)160和340位置處出現(xiàn)了局部極值點(diǎn),并分別對(duì)應(yīng)于小波變換系數(shù)的最大負(fù)峰和最大正峰。

而樣本點(diǎn)70位置處則為小波變換系數(shù)過(guò)零點(diǎn),其局部放大示意圖如圖10所示。

圖10 局部放大示意圖

筆者繼續(xù)對(duì)小波變換系數(shù)向量執(zhí)行上一小節(jié)的檢測(cè)流程,構(gòu)造故障檢測(cè)向量。由檢測(cè)流程中步驟(5,6,7)可知,小波變換系數(shù)向量中除最大負(fù)峰點(diǎn)外,其余位置處(包括過(guò)零點(diǎn)和最大正峰點(diǎn))均輸出“0”。

最終得到的故障檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 故障檢測(cè)向量

由圖11可知,故障檢測(cè)向量在樣本點(diǎn)160位置處的模型輸出值為“1”,根據(jù)診斷規(guī)則認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)在該瞬時(shí)發(fā)生了葉片斷裂故障。該識(shí)別結(jié)果與初始設(shè)置一致,即通過(guò)理想仿真信號(hào)初步驗(yàn)證了葉片斷裂故障識(shí)別方法的有效性。

而樣本點(diǎn)70、樣本點(diǎn)340及其余樣本點(diǎn)處的模型輸出值均為“0”,故認(rèn)為其他時(shí)刻未發(fā)生葉片斷裂故障。

上述識(shí)別結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明,本文所提方法可有效排除其他因素(非葉片斷裂)引起的幅值單點(diǎn)跳變、階躍上升等類(lèi)似突變現(xiàn)象的干擾。

3 工程案例驗(yàn)證

3.1 機(jī)組概況

某型燃?xì)廨啓C(jī)裝有振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),筆者在外機(jī)匣低壓壓氣機(jī)的前支承和動(dòng)力渦輪后支承截面共安裝了4個(gè)振動(dòng)加速度傳感器,振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為51.2 kHz。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。

圖12 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

該燃?xì)廨啓C(jī)在某一穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)(對(duì)應(yīng)后續(xù)數(shù)據(jù)分析中第97 s)發(fā)生了嚴(yán)重機(jī)械故障,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)后逐級(jí)孔探發(fā)現(xiàn),低壓壓氣機(jī)第9級(jí)動(dòng)葉片存在明顯斷裂痕跡。

該級(jí)動(dòng)葉數(shù)目為42,故障發(fā)生時(shí)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為6 940 r/min。由于前機(jī)匣水平測(cè)點(diǎn)靠近葉片斷裂位置,對(duì)故障響應(yīng)更加敏感,后續(xù)分析均基于該測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.2 故障數(shù)據(jù)分析

故障發(fā)生時(shí),前機(jī)匣水平測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)域波形如圖13所示。

圖13 前水測(cè)點(diǎn)時(shí)域響應(yīng)

由圖13可知,葉片斷裂瞬間出現(xiàn)了明顯的沖擊衰減效應(yīng),響應(yīng)幅值經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)-突增-衰減-穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程。

筆者取斷裂前、后的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析其頻譜,結(jié)果如圖14所示。

圖14 前水測(cè)點(diǎn)頻域響應(yīng)

由圖14可知,第9級(jí)動(dòng)葉通過(guò)頻率(分別對(duì)應(yīng)圖14(a,b)中的4 844 Hz與4 852 Hz)的幅值在動(dòng)葉斷裂后有所減小。

筆者利用本文所提葉片斷裂故障識(shí)別方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以期在葉片斷裂瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確、有效識(shí)別,其具體分析過(guò)程如下:

(1)構(gòu)造機(jī)理特征向量

首先,以故障發(fā)生時(shí)前機(jī)匣水平測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)作為故障識(shí)別模型輸入,并以第9級(jí)動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值為目標(biāo)元素同步開(kāi)展故障特征提取。

此處構(gòu)造的機(jī)理特征向量如圖15所示。

圖15 第九級(jí)動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值

由圖15可知,第9級(jí)動(dòng)葉通過(guò)頻率幅值在故障發(fā)生后出現(xiàn)了明顯的階躍式突變現(xiàn)象,且其幅值水平較初始狀態(tài)有所下降。

(2)構(gòu)造小波變換系數(shù)向量

筆者進(jìn)一步利用式(14)所示的小波函數(shù),對(duì)(1)中提取的機(jī)理特征向量進(jìn)行小波變換,建立小波變換系數(shù)向量,如圖16所示。

圖16 小波變換系數(shù)向量

圖16中的局部放大示意圖如圖17所示。

圖17 局部放大示意圖

由圖17可知,在小波變換系數(shù)向量中第97 s位置處出現(xiàn)了最大負(fù)峰。

(3)構(gòu)造故障檢測(cè)向量

最后,筆者依據(jù)前文制定的檢測(cè)流程對(duì)上述小波變換系數(shù)向量進(jìn)行變換,以構(gòu)造故障檢測(cè)向量,得到的故障識(shí)別結(jié)果如圖18所示。

圖18 故障檢測(cè)向量

由圖18可知,故障檢測(cè)向量中第97 s位置處的模型輸出值為“1”。因此,筆者根據(jù)診斷規(guī)則判定該燃?xì)廨啓C(jī)在第97 s發(fā)生了葉片斷裂故障,即實(shí)現(xiàn)了葉片斷裂瞬時(shí)的準(zhǔn)確捕捉。

綜上所述,通過(guò)對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)葉片斷裂故障案例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到的結(jié)論與實(shí)際故障現(xiàn)象一致,證實(shí)了本文所提故障機(jī)理特征和故障識(shí)別方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于動(dòng)葉斷裂故障機(jī)理建立了機(jī)匣-靜葉系統(tǒng)故障模型,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉斷裂故障振動(dòng)特征及其識(shí)別方法開(kāi)展了理論和仿真研究,并經(jīng)工程案例分析驗(yàn)證了結(jié)論的有效性。其主要結(jié)論如下:

(1)斷裂動(dòng)葉所在的對(duì)應(yīng)級(jí)葉片通過(guò)頻率幅值在故障發(fā)生后具有階躍式突降特性,并且隨著故障程度的不斷加深,階躍式下降趨勢(shì)愈加明顯;

(2)基于小波變換的葉片斷裂故障識(shí)別方法,結(jié)合上述故障機(jī)理特征響應(yīng)規(guī)律可實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂瞬時(shí)的準(zhǔn)確識(shí)別,并且該方法能有效排除相似振動(dòng)特征的干擾。

在后續(xù)研究中,筆者將探索燃?xì)廨啓C(jī)葉片斷裂故障預(yù)警方法,從而最終達(dá)到避免發(fā)生葉片斷裂故障的目的。