叶端定时测量方法及关键技术研究

研究了叶端定时测量方法及其实时监测系统的关键技术——叶端定时传感器、高速叶端脉冲信号采集系统和叶端定时信号的实时分析和处理。采用叶端定时测量系统在实验现场对某发动机的首级叶片振动进行实时测量，获得了满意的结果。     

考虑叶尖间隙变化影响的高速旋转叶片监测技术研究

叶尖定时技术因其非接触性、全面监测性及低成本等众多突出优点使其成为当前高速旋转叶片在线监测领域中的研究热点,但传统基于电涡流传感器的叶尖定时测试中未考虑因叶尖间隙变化引起的叶片振动幅值测量误差,导致系统测量精度不足,测量结果中存在误差较大。针对该问题通过对叶尖间隙变化及脉冲响应的关系进行了实验研究,并在此基础上提出了一种提高基于电涡流传感器的叶尖定时系统测量精度的信号处理方法,通过耦合脉冲信号上升沿时刻与脉冲响应幅值来提高系统的测量精度。最后通过高速风机叶片进行了实验验证。结果表明,该方法在叶尖间隙波动的情况下可以保持较好的叶片振动测量精度。     

基于压缩感知的叶端定时欠采样多频叶片振动盲重构研究

旋转叶片是航空发动机的核心部件,长期工作在复杂的工况下承受交变应力,容易产生振动而导致疲劳失效,因此在线监测叶片振动对发动机运行安全具有十分重要的工程意义。针对传统的接触式应变法无法同时测量所有叶片振动且布线复杂存在安全隐患的问题,采用叶端定时(Blade tip-timing, BTT)非接触方法对叶片振动进行实时在线监测。但是BTT测量信号受叶顶传感器安装限制属于典型的欠采样信号,而叶片由于气动激励及微小裂纹的非线性导致其叶端出现多频振动响应,因此利用欠采样的BTT信号获取未知多频叶片振动是目前遇到的巨大挑战。提出采用压缩感知方法解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构。首先分析叶片在气动激励下的多频响应;然后建立BTT测量的压缩感知模型,并采用多重信号分类(Multiple signal classification,MUSIC)算法进行求解;最后通过数值仿真,并结合旋转叶片BTT测振实验台验证了压缩感知理论解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题,实现旋转叶片振动BTT非接触在线测量。     

航空发动机转速调理模块设计研究

在航空发动机飞行试验中,需要对发动机转子基频激起的振动信号进行实时跟踪监视,在对振动信号进行监视的过程中需要可靠的测量发动机转速信号。当转速传感器因为某些原因输出信号为复杂信号时,一般的转速测量方法和设备无法直接测量,因此设计了航空发动机转速调理电路,对转速传感器输出的复杂信号进行预处理,得到幅值固定,频率与原信号一致的方波信号,从而为进一步发动机转速的准确测量和发动机振动的实时跟踪监视奠定了基础。     

基于总体最小二乘准则旋转不变子空间法的叶尖定时欠采样信号分析

考虑到传统的应变法无法同时测量所有叶片的振动且存在一定的安全隐患,故利用叶尖定时技术对叶片振动进行监测。由于该方法得到的信号属于严重欠采样信号,且实际获得的信号存在噪声干扰,传统的傅里叶分析无法得到叶片的真实振动频率。研究基于总体最小二乘准则(TLS)的旋转不变子空间法(Esprit)对存在噪声干扰的欠采样信号进行频率估计,并以估计结果作为先验知识对欠采样信号进行重构。通过仿真信号分析及高速旋转叶片试验台验证方法的有效性。结果表明,所提方法可以有效地对含噪欠采样信号进行处理并估计出叶片的真实频率信息,具有很好的工程应用价值。     

旋转叶片振动参数检测方法

论述了一种高精度旋转叶片振动参数叶尖定时检测方法.设计一套叶尖定时传感系统;利用叶尖经过非接触测头的时间进行测量,与传统接触测量方法相比,具有实时性强、精度高、适用于高转速等优点.通过多个叶尖定时传感器实现对叶片振动的实时、全面监测;利用叶根同步传感器减小了由于转速不稳定造成误差的影响.论述了系统原理和叶尖定时信号的处理方法,并做出了讨论.     

叶轮机械叶片故障的叶间动态间距诊断法

提出了叶轮机械叶片故障的叶间动态间距诊断法,该方法采用安装在外壳上的脉冲传感器非接触测量旋转叶片经过传感器探头时产生的脉冲信号,通过分析脉冲间(即叶间)动态的相对或绝对间距,可获取叶片振动和叶片故障信息。提出了刚性叶片和柔性叶片的概念,分析了叶片振动和叶片安装间距误差对动态间距的影响。论述了叶间动态间距诊断法的基本原理、试验研究、实施步骤。试验及现场应用表明该诊断方法是正确的、有效的。     

变传感器设定值的科氏质量流量管控制方法

在科氏质量流量计中,流量管的稳幅振动是准确测量的前提。当两相流发生时,科氏质量流量管无法维持在最佳幅值下振动,导致传感器输出信号幅值波动大。针对两相流下流量管幅值控制面临的问题,分析影响流量管振动幅值大小和稳定性的因素,提出跟踪传感器信号幅值、变传感器信号设定值的控制方法,在研制的数字式科氏质量流量变送器上实时实现,并在气-液两相流实验装置上进行2种设定值方法的对比实验。实验结果表明,在不同含气量和控制及时性的情况下,变传感器设定值的控制方法均具有良好的信号跟踪和幅值控制的性能,流量管振动较平稳,传感器信号幅值波动范围小,极大地减小了两相流测量过程中的波动性。     

无参考传感器叶端定时叶片同步振动参数辨识方法研究

叶端定时(Blade tip timing, BTT)是一项具有应用前景的非接触式叶片振动在线监测技术,已有的BTT测量系统需要配备参考传感器来测量转速和提供时间基准。但航空发动机结构复杂及安装空间等限制,造成参考传感器安装困难,导致现有的BTT测量方法无法正常使用。针对无参考传感器叶片同步振动BTT测量及参数辨识方法展开研究,基于改进双参数法,在利用三个BTT传感器进行测量的条件下,对叶片振动位移差进行分析处理即可完成叶片同步振动幅值和倍频(Engine order,Ne)的辨识。结合数值仿真分析及试验研究的手段,将该方法与双参数法进行对比分析。结果表明,该方法能够准确辨识出叶片的振动参数,验证了其可行性和有效性,为无参考传感器BTT测量的工程应用提供了技术手段。     

基于叶尖定时的旋转机械叶片振动信号重建

基于叶尖定时原理采集的旋转机械叶片振动信号是离散的欠采样信号,利用插值法对其重建的时域信号能反映叶片振动峰值等参数特征,为故障诊断提供依据.通过分析简谐振动的数学模型和信号采样及重构定理,提出在匀转速下利用若干均匀安装在机匣上的叶尖定时传感器采集叶片振动信息进行振动位移信号重建的新方法.利用高阶B样条函数构建的插值核函数具有快速收敛的特点,在减小信号截断误差的同时降低了算法复杂度,利于工程应用.介绍信号重建误差的来源,其测量精度对转速稳定性有较高要求,通过计算机仿真和模拟振动平台气激试验分析该方法性能,验证其在实践中的有效性.     

用于高速转轴径向振动检测的光纤传感技术

采用光纤测量技术实现航空叶轮泵高速转轴径向振动的检测,对检测系统的工作原理做了详细介绍。设计了新型的光纤测头,提出相应的补偿方案,并对补偿机理进行了详细的分析。对测试系统的特性进行了研究,得出位移特性调制函数表达式,给出了仿真曲线。理论计算和仿真分析表明, 该测试系统能有效地消除因光源光强波动、光纤弯曲损耗、表面反射率等因素对输出特性的影响,可以在叶轮泵内部电磁干扰严重和高温等恶劣环境下实现对高速转轴径向振动的检测。实验测试结果表明,随着转轴转速由1 000 r/min提高到10 000 r/min,径向振动幅值单调增加,这与实际情况相符合。     

风机叶片疲劳加载振动频率特性分析与试验

针对风机叶片疲劳加载过程振动特性,建立旋转偏心块驱动的叶片疲劳加载系统动力学模型。基于拉格朗日方程推导出系统的数学模型,利用平均法近似解析系统动力学方程,得出振动过程中电机转矩平衡方程。分析振动频率的变化规律,建立仿真模型,对系统频率捕获过程进行数值仿真,揭示系统的自同步振动特性。风机叶片疲劳加载试验表明:叶片在受迫振动时,叶片振动频率并不总等于驱动频率;驱动频率与叶片固有频率偏差较大时,叶片振动幅值及频率波动明显;频率偏差在较小区间范围(0.47~0.62Hz)时,偏心块驱动系统与叶片容易发生频率捕获,振幅较小并趋于稳定;在负载转矩较大而电机功率不足时,偏心块会发生转速跳变。     

同轴式微速差双转子系统整机动平衡方法研究

同轴式微速差双转子系统的不平衡振动信号是由内、外转子各自不平衡振动叠加而成的拍振,通过研究拍振波形的特征,提出不通过解拍,有效分离内、外转子各自不平衡振动响应的方法;通过理论分析和试验研究发现内、外转子不平衡振动之间的相互影响很小,提出用8影响系数法实现该类转子动平衡的方法。通过对双转子系统进行外转子单独平衡和内、外转子同时平衡的成功实践,证明8影响系数法能在保证足够高的平衡精度下,快速、高效地解决同轴式微速差双转子系统的动平衡问题,具有十分重要的工程应用价值。     

基于DSP技术实现的微速差双转子动平衡仪

提出了一种新的数字信号处理方法，分离有微小速差双转子系统的内、外转子合成振动信号。采用基准信号作触发，分别对内、外转子进行同步采样，就可直接获取各转子相应的振动幅值和相位。结合DSP技术，该方法被成功应用于双校正面双转子系统的现场整机动平衡仪开发。     

Nonlinear dynamic behavior of rotating blade with breathing crack

This study aims at investigating the nonlinear dynamic behavior of rotating blade with transverse crack. A novel nonlinear rotating cracked blade model (NRCBM), which contains the spinning softening, centrifugal stiffening, Coriolis force, and crack closing effects, is developed based on continuous beam theory and strain energy release rate method. The rotating blade is considered as a cantilever beam fixed on the rigid hub with high rotating speed, and the crack is deemed to be open and close continuously in a trigonometric function way with the blade vibration. It is verified by the comparison with a finite element-based contact crack model and bilinear model that the proposed NRCBM can well capture the dynamic characteristics of the rotating blade with breathing crack. The dynamic behavior of rotating cracked blade is then investigated with NRCBM, and the nonlinear damage indicator (NDI) is introduced to characterize the nonlinearity caused by blade crack. The results show that NDI is a distinguishable indicator for the severity level estimation of the crack in rotating blade. It is found that severe crack (i.e., a closer crack position to blade root as well as larger crack depth) is expected to heavily reduce the stiffness of rotating blade and apparently result in a lower resonant frequency. Meanwhile, the super-harmonic resonances are verified to be distinguishable indicators for diagnosing the crack existence, and the third-order super-harmonic resonances can serve as an indicator for the presence of severe crack since it only distinctly appears when the crack is severe.     

基于视觉位感条纹的转轴裂纹缺陷检测

裂纹缺陷是转轴系统中常见的故障形式,裂纹的呼吸效应会改变转轴的动态特性,使转轴的径向振动信号中出现倍频分量。提出一种基于单目视觉位感条纹振动测量原理的转轴裂纹缺陷检测新方法,可实现转轴振动信号的高效测量和裂纹缺陷的快速检测。分析了含裂纹转轴系统的动力学方程,并系统描述了单目相机成像条件下采用位感条纹图案实现转轴径向二维振动测量的原理,建立了成像位感条纹动态编码参数与转轴径向振动位移之间的数学模型。通过与传统基于两路电涡流传感器测量系统的试验对比分析,验证了本方法测量结果的精确性。分析转轴系统在不同转速下径向振动中的频率分量,当转速接近1/2临界转速时,2倍频信号非常明显,且其幅值接近转频幅值,可实现对于转轴系统中裂纹缺陷的有效检测。     

码盘偏心对扭振测试影响的研究

扭振测试对旋转机械的故障诊断具有十分重要的意义,当测速码盘存在偏心时,会给扭振测试带来很大的误差。在轴实际存在扭振的情况下,由理论推导,得到在码盘偏心时测量转速与轴实际转速之间的关系式,从而得到测量扭振角速度,分析出测量扭振的组成成分并得到了其数学表达式。讨论影响扭转各成分幅值大小的因素,偏心比越大,测量扭振的误差越大;偏心比相同时,转速越高,扭振角速度的误差也越大;任一阶测量扭振均受到分布在其两边的轴实际扭振的所有阶次的影响,在幅值相同情况下,距离越远的阶次影响越小。仿真和试验验证了理论推导的正确性,仿真中的最大误差为2.83%,试验中的最大误差为5.6%。     

失谐对叶片-轮盘结构振动特性的影响

研究了失谐对叶片—轮盘结构系统振动特性的影响。将叶片模拟为固定在轮盘上的悬臂梁模型,采用Hamilton变分原理和Galerkin方法,导出了系统的运动方程表达式。求解状态方程的特征值问题获得系统的特征向量。以一个含16个叶片的叶片—轮盘结构为例,分析了它的振动模态。结果表明,失谐会导致系统的振动模态出现局部化现象。分析了叶片的失谐量和轮盘的转速对结构振动模态局部化的影响。     

基于虚拟仪器的主轴振动检测系统开发

机械设备加工过程中主轴产生的振动对产品的精度以及刀具的磨损和寿命等都有较大的影响,针对机床主轴在加工过程中的振动,利用数据采集卡、加速度传感器搭建了测量平台,利用labVIEW软件设计了振动测量系统,该系统通过频谱分析、低通滤波、加窗等过程,能够在线测量主轴在不同转速下的振动基本参数,实现机床主轴加工时运动情况在线测量。通过这些参数分析,可以间接为系统的定期维修和动态特性的研究提供依据。该测量系统开发成本和维护成本低,比使用传统仪器具有更好的经济性。