基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法，包括對采集的壓力脈動信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，獲取評判葉片裂紋有無的特征頻率fc；對采集的壓力脈動信號進(jìn)行隨機共振處理，再進(jìn)行頻譜分析獲取隨機共振頻譜；在隨機共振頻譜中尋找特征頻率fc及其倍頻，如果存在則提取此特征頻率fc，如果不存在則判斷葉片正常、無裂紋；對比得到的壓力脈動信號特征頻率是否為軸頻，若是軸頻則葉片正常，若不是軸頻則存在裂紋。最后，通過對比特征頻率fc與葉片應(yīng)力信號的故障頻率，驗證本發(fā)明方法的正確性。本發(fā)明可以實現(xiàn)對半開式壓縮機葉片裂紋進(jìn)行檢測，避免由于葉片的裂紋故障而引起事故。
【專利說明】
基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，具體的說是基于隨機共振的離屯、式壓縮機半開式 葉輪裂紋檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離屯、式壓縮機能夠通過葉輪的旋轉(zhuǎn)來提升流體壓力，是石化工廠的重要設(shè)備?，F(xiàn) 在，人們越來越關(guān)注離屯、式壓縮機的高效率W及高可靠性。葉片是離屯、式壓縮機的一個非 常重要但又非常薄弱的部件，其工作環(huán)境非常惡劣常受到流體、噪聲W及高溫的影響。由于 離屯、式壓縮機的工作環(huán)境復(fù)雜多變，因此壓縮機經(jīng)常在非設(shè)計狀態(tài)下運行，葉片裂紋經(jīng)常 發(fā)生，最終可能引起葉片斷裂，造成機組損壞。然而，葉片裂紋的檢測較為復(fù)雜，一直是困 擾國內(nèi)外設(shè)備故障診斷工程界和學(xué)術(shù)界的難題。
[0003] 現(xiàn)在對裂紋無損檢測常規(guī)的方法主要有超聲探傷、射線探傷、滿流探傷、磁粉探傷 和滲透法探傷等，運些方法雖然都可W對葉片裂紋進(jìn)行檢測，但是運些方法大都不能實現(xiàn) 對葉片裂紋的實時監(jiān)測，只能停機后再測試，缺乏一定的時效性。
[0004] 當(dāng)特征信息較為微弱時，其往往會被噪聲所淹沒，傳統(tǒng)的方法是去除噪聲，并把特 征信息提取出來，而隨機共振卻是利用信號中的噪聲。其將信號經(jīng)過雙穩(wěn)系統(tǒng)，利用噪聲能 量使信號W特征信息的頻率躍遷從而將特征信息提取出來。雙穩(wěn)系統(tǒng)表達(dá)式
[0005]
( 1)
[0006] 其中s(t)為特征信號n(t)為白噪聲，s(t)+n(t)即為實際信號，雙穩(wěn)系統(tǒng)有兩個 勢阱，當(dāng)信號比較微弱時，信號只能在一個勢阱里來回震蕩。當(dāng)有噪聲時，且其能量達(dá)到一 定值，信號可在兩個勢阱中來回躍遷。其逃逸速率為
[0007]
(2)
[0008] 其中D為噪聲強度
為勢壘高度。讓信號頻率為逃逸速率的一半時便可 發(fā)生共振。由于
而且rk隨a的增大而減小。因此信號中能在低頻處共振，因 此需要對信號進(jìn)行時域拉伸，使信號能在高頻處共振。另外信號進(jìn)過雙穩(wěn)系統(tǒng)后能夠收斂 的必要條件為址<1，便可W此得到a的取值，然后可根據(jù)公式2求得b，從而使系統(tǒng)共振，可 將特征頻率求出來。
[0009] EMD方法的基本思想是將原始信號分解成一系列本征模態(tài)函數(shù)IMF的組合，
[0010]
巧
[0011] 然后根據(jù)實際需要，對各個IMF利用進(jìn)行后續(xù)的處理分析和特征提取，如經(jīng) Hilbed變換求取模式分量的瞬時頻率、瞬時幅值或時頻譜等特征。 陽〇1引 IMF有W下過程獲得：
[0013] 首先找到信號的所有極大值點和極小值點，分別對極大值和極小值進(jìn)行=次樣 條函數(shù)擬合得到極大值和極小值的包絡(luò)線，將兩個包絡(luò)線求和取均值便可得到第一個本征 模態(tài)函數(shù)Cl (t)，然后將原信號減去Cl (t)，再進(jìn)行第一步操作，便可得到C2 (t)。如此不斷 往復(fù)。一直到第n階IMF分量化(t)或其余量rn (t)小于預(yù)設(shè)值；或當(dāng)殘余分量rn (t)是 單調(diào)函數(shù)或常量時，EMD分解過程停止。
[0014] X(t)-Ci(t) = ri(t)
[0015] Tl (t)-〔2 (t) =。（t)
[0016] (4)
[0017] ...... 陽 018] r" 1 (t) -C" (t) = r" (t)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于 隨機共振W及經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾幕驹恚⑶腋鶕?jù)離屯、式壓縮機及其半開式葉輪的結(jié)構(gòu)和 工作參數(shù)的特點的基于隨機共振的離屯、式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法。
[0020] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：基于隨機共振的離屯、式壓縮機半開 式葉輪裂紋檢測方法，包括W下步驟：
[0021] a.經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馀c隨機共振處理：對采集的壓力脈動信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，獲 取評判葉片裂紋有無的特征頻率f。;對采集的壓力脈動信號進(jìn)行隨機共振處理，再進(jìn)行頻 譜分析獲取隨機共振頻譜；
[0022] b.倍頻分析獲取特征頻率：在隨機共振頻譜中尋找特征頻率f。及其倍頻，如果存 在則認(rèn)為f。即為所要找的特征頻率，如果不存在則判斷葉片正常、無裂紋；
[0023] C.判別裂紋：對比得到的壓力脈動信號特征頻率是否為軸頻，若是軸頻則葉片正 常，若不是軸頻則存在裂紋。
[0024] 所述經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獍ǎ喝~片通過頻率處帶通濾波；對濾波信號進(jìn)行包絡(luò)處理； 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓粚MF信號進(jìn)行FFT變換；獲得低頻處特征頻率f。。
[0025] 所述隨機共振處理包括：對壓力脈動信號進(jìn)行樣條插值并進(jìn)行重采樣；時域拉伸 整體數(shù)據(jù)除W有效值；并對隨機共振中的雙穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行求參數(shù)；將參數(shù)代入從而保障信號 在選定頻率附近共振。
[00%] 所述壓力脈動信號由分別安裝在離屯、式壓縮機葉輪入口、擴壓器入口、擴壓器出 口處的壓力脈動傳感器采集而來，并由數(shù)據(jù)采集分析儀對壓力脈動信號進(jìn)行分析處理。
[0027] 本發(fā)明具有W下優(yōu)點及有益效果：
[0028] 能夠通過簡單快速搭建的離屯、式壓縮機振動信號實時數(shù)據(jù)采集平臺，對離屯、式壓 縮機擴壓器入口 W及出口的壓力脈動信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過 判斷故障頻率的有無進(jìn)而可對離屯、式壓縮機半開式葉輪裂紋故障進(jìn)行識別，進(jìn)而能夠有效 避免因葉輪裂紋故障而導(dǎo)致的事故發(fā)生。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明方法中待檢測裂紋及應(yīng)變片位置圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明方法中經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饬鞒虉D；
[0032] 圖4為本發(fā)明方法中隨機共振處理流程圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明方法中4500rpm應(yīng)變數(shù)據(jù)頻譜圖；
[0034] 圖6為本發(fā)明方法中壓力脈動信號時域及頻域圖；
[0035] 圖7為本發(fā)明方法中對包絡(luò)信號的EMD分解后時域圖；
[0036] 圖8為本發(fā)明方法中第一階IMF及其頻譜圖；
[0037] 圖9為本發(fā)明方法中隨機共振后時域圖；
[0038] 圖10為本發(fā)明方法中隨機共振后頻域圖；
[0039] 圖11為本發(fā)明方法中隨機共振后頻域放大圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041] 如圖1所示，圖中a、b、c、d為應(yīng)變片粘貼位置，其中a、b、c在有裂紋葉片上、d在 正常葉片上，葉片裂紋已標(biāo)出。
[0042] 本發(fā)明方法中硬件平臺搭建如下：
[0043] 離屯、式壓縮機壓力脈動信號數(shù)據(jù)采集平臺的搭建：
[0044] 具有多輸入通道及數(shù)據(jù)處理功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由NI4472數(shù)據(jù)采集卡 和東方所DASP采集軟件搭建，傳感器為PCB106B52型壓力脈動傳感器；
[0045] 通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集與顯示離屯、式壓縮機壓力脈動信號，本發(fā)明所研究的 是工業(yè)用離屯、式壓縮機，對離屯、式壓縮機擴壓器入口 W及出口的壓力脈動信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采 集，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，證明擴壓器入口 W及出口的壓力脈動數(shù)據(jù)可W對葉片裂紋 進(jìn)行有效的反映。
[0046] 葉片應(yīng)力采集平臺的搭建：
[0047] 具有無限傳輸功能的葉片應(yīng)力無線測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由北京必創(chuàng)的四通道SG403/ SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點和BS903無線接收網(wǎng)關(guān)搭建，應(yīng)變片為北京必創(chuàng)BF120-2AA (11) GN20-W應(yīng)變片；
[0048] 對壓縮機的正常與有裂紋葉片進(jìn)行應(yīng)力測試，W獲得反映葉片故障的特征頻率。
[0049] 葉片應(yīng)力信號由分別安裝在葉片裂紋附近W及無裂紋的葉片上的應(yīng)變片采集而 來，并由無線應(yīng)力數(shù)據(jù)采集分析單元對葉片應(yīng)力信號進(jìn)行分析處理。
[0050] 壓力脈動信號為不同轉(zhuǎn)速下裂紋為70mm的壓縮機壓力脈動信號，由分別安裝在 離屯、式壓縮機葉輪入口、擴壓器入口、擴壓器出口處的壓力脈動傳感器采集而來，并由數(shù)據(jù) 采集分析儀對壓力脈動信號進(jìn)行分析處理。
[0051] 基于隨機共振的離屯、式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法，如圖2所示，基于隨機 共振W及經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獾幕驹?，并且根?jù)離屯、式壓縮機及其半開式葉輪的結(jié)構(gòu)和工作 參數(shù)的特點，包括W下步驟：a.經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馀c隨機共振處理：對采集的壓力脈動信號進(jìn) 行經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓@取評判葉片裂紋有無的特征頻率f。;對采集的壓力脈動信號進(jìn)行隨機 共振處理，再進(jìn)行頻譜分析獲取隨機共振頻譜；b.倍頻分析獲取特征頻率：在隨機共振頻 譜中尋找特征頻率f。及其倍頻，如果存在則認(rèn)為f。即為所要找的特征頻率，如果不存在則 判斷葉片正常、無裂紋；C.判別裂紋：對比得到的壓力脈動信號特征頻率是否為軸頻，若是 軸頻則葉片正常，若不是軸頻則存在裂紋。所述軸頻為主軸轉(zhuǎn)速/60,軸頻會調(diào)制到信號中， 因此采用判定是否為軸頻來判別有無裂紋。
[0052] 此外，還包括驗證步驟：a.頻譜分析獲取故障頻率：對葉片應(yīng)力信號進(jìn)行頻譜分 析得到葉片裂紋故障頻率；b.對比特征頻率f。與葉片應(yīng)力信號的故障頻率，驗證特征頻率 f。的方法正確性。
[0053] 如圖6所示，為本發(fā)明方法中壓力脈動信號時域及頻域圖；其中，葉輪轉(zhuǎn)速為 4500;rpm，葉片數(shù)為13。
[0054] 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓航?jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸膺^程如圖3所示，包括：葉片通過頻率處帶通濾波； 對濾波信號進(jìn)行包絡(luò)處理；經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓粚MF信號進(jìn)行FFT變換；獲得低頻處特征頻率 f。。圖7為本發(fā)明方法中對包絡(luò)信號的EMD分解后時域圖；圖8為本發(fā)明方法中第一階IMF 及其頻譜圖；圖中標(biāo)注的即為經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂螳@取的53化左右的特征頻率f。。 陽化5] 隨機共振處理與頻譜分析：隨機共振處理過程如圖4所示，包括：對壓力脈動信號 進(jìn)行樣條插值并進(jìn)行重采樣；時域拉伸整體數(shù)據(jù)除W有效值；并對隨機共振中的雙穩(wěn)系統(tǒng) 進(jìn)行求參數(shù)；將參數(shù)代入從而保障信號在選定頻率附近共振。對隨機共振處理后的壓力脈 動信號進(jìn)行頻譜分析如圖9、10、11所示，圖9為本發(fā)明方法中隨機共振后時域圖，圖10為 本發(fā)明方法中隨機共振后頻域圖，圖11為本發(fā)明方法中隨機共振后頻域放大圖，圖中標(biāo)注 點為53化頻率及其倍頻，可見與EMD分解得到的特征頻率f。對應(yīng)，即為要提取的特征頻率。 [0056] 如圖5所示，為本發(fā)明方法中4500rpm應(yīng)變信號數(shù)據(jù)頻譜圖，圖中四幅圖分別為應(yīng) 變片上a、b、c、d四個檢測點的應(yīng)力頻譜圖，由圖中可W看出上述四個檢測點都存在75Hz的 轉(zhuǎn)頻，而葉片上裂紋b、C兩點存在53化的特征頻率，而d點不存在53化的特征頻率，故認(rèn) 為53化為故障頻率，因此，驗證了本發(fā)明方法中如圖11所示最終獲取的53化頻率為特征 頻率的方法是正確的。
【主權(quán)項】
1. 基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法，其特征在于，包括以下步 驟： a. 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馀c隨機共振處理：對采集的壓力脈動信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，獲取評 判葉片裂紋有無的特征頻率f。;對采集的壓力脈動信號進(jìn)行隨機共振處理，再進(jìn)行頻譜分 析獲取隨機共振頻譜； b. 倍頻分析獲取特征頻率：在隨機共振頻譜中尋找特征頻率f。及其倍頻，如果存在則 認(rèn)為f。即為所要找的特征頻率，如果不存在則判斷葉片正常、無裂紋； c. 判別裂紋：對比得到的壓力脈動信號特征頻率是否為軸頻，若是軸頻則葉片正常， 若不是軸頻則存在裂紋。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法，其 特征在于，所述經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸獍ǎ喝~片通過頻率處帶通濾波；對濾波信號進(jìn)行包絡(luò)處理； 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓粚F信號進(jìn)行FFT變換；獲得低頻處特征頻率之。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方法，其 特征在于，所述隨機共振處理包括：對壓力脈動信號進(jìn)行樣條插值并進(jìn)行重采樣；時域拉 伸整體數(shù)據(jù)除以有效值；并對隨機共振中的雙穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行求參數(shù)；將參數(shù)代入從而保障信 號在選定頻率附近共振。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于隨機共振的離心式壓縮機半開式葉輪裂紋檢測方 法，其特征在于，所述壓力脈動信號由分別安裝在離心式壓縮機葉輪入口、擴壓器入口、擴 壓器出口處的壓力脈動傳感器采集而來，并由數(shù)據(jù)采集分析儀對壓力脈動信號進(jìn)行分析處 理。
【文檔編號】G06F19/00GK105987809SQ201510069313
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月10日
【發(fā)明人】李宏坤, 伊洪麗, 肖忠會, 張學(xué)峰, 張曉雯, 孟繼綱, 李凱華
【申請人】沈陽透平機械股份有限公司