基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法
【专利摘要】本发明涉及基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法，包括对采集的压力脉动信号进行经验模式分解，获取评判叶片裂纹有无的特征频率fc；对采集的压力脉动信号进行随机共振处理，再进行频谱分析获取随机共振频谱；在随机共振频谱中寻找特征频率fc及其倍频，如果存在则提取此特征频率fc，如果不存在则判断叶片正常、无裂纹；对比得到的压力脉动信号特征频率是否为轴频，若是轴频则叶片正常，若不是轴频则存在裂纹。最后，通过对比特征频率fc与叶片应力信号的故障频率，验证本发明方法的正确性。本发明可以实现对半开式压缩机叶片裂纹进行检测，避免由于叶片的裂纹故障而引起事故。
【专利说明】
基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于设备故障诊断领域，具体的说是基于随机共振的离屯、式压缩机半开式 叶轮裂纹检测方法。
【背景技术】
[0002] 离屯、式压缩机能够通过叶轮的旋转来提升流体压力，是石化工厂的重要设备。现 在，人们越来越关注离屯、式压缩机的高效率W及高可靠性。叶片是离屯、式压缩机的一个非 常重要但又非常薄弱的部件，其工作环境非常恶劣常受到流体、噪声W及高溫的影响。由于 离屯、式压缩机的工作环境复杂多变，因此压缩机经常在非设计状态下运行，叶片裂纹经常 发生，最终可能引起叶片断裂，造成机组损坏。然而，叶片裂纹的检测较为复杂，一直是困 扰国内外设备故障诊断工程界和学术界的难题。
[0003] 现在对裂纹无损检测常规的方法主要有超声探伤、射线探伤、满流探伤、磁粉探伤 和渗透法探伤等，运些方法虽然都可W对叶片裂纹进行检测，但是运些方法大都不能实现 对叶片裂纹的实时监测，只能停机后再测试，缺乏一定的时效性。
[0004] 当特征信息较为微弱时，其往往会被噪声所淹没，传统的方法是去除噪声，并把特 征信息提取出来，而随机共振却是利用信号中的噪声。其将信号经过双稳系统，利用噪声能 量使信号W特征信息的频率跃迁从而将特征信息提取出来。双稳系统表达式
[0005]
( 1)
[0006] 其中s(t)为特征信号n(t)为白噪声，s(t)+n(t)即为实际信号，双稳系统有两个 势阱，当信号比较微弱时，信号只能在一个势阱里来回震荡。当有噪声时，且其能量达到一 定值，信号可在两个势阱中来回跃迁。其逃逸速率为
[0007]
(2)
[0008] 其中D为噪声强度
为势垒高度。让信号频率为逃逸速率的一半时便可 发生共振。由于
而且rk随a的增大而减小。因此信号中能在低频处共振，因 此需要对信号进行时域拉伸，使信号能在高频处共振。另外信号进过双稳系统后能够收敛 的必要条件为址<1，便可W此得到a的取值，然后可根据公式2求得b，从而使系统共振，可 将特征频率求出来。
[0009] EMD方法的基本思想是将原始信号分解成一系列本征模态函数IMF的组合，
[0010]
巧
[0011] 然后根据实际需要，对各个IMF利用进行后续的处理分析和特征提取，如经 Hilbed变换求取模式分量的瞬时频率、瞬时幅值或时频谱等特征。 阳〇1引 IMF有W下过程获得：
[0013] 首先找到信号的所有极大值点和极小值点，分别对极大值和极小值进行=次样 条函数拟合得到极大值和极小值的包络线，将两个包络线求和取均值便可得到第一个本征 模态函数Cl (t)，然后将原信号减去Cl (t)，再进行第一步操作，便可得到C2 (t)。如此不断 往复。一直到第n阶IMF分量化(t)或其余量rn (t)小于预设值；或当残余分量rn (t)是 单调函数或常量时，EMD分解过程停止。
[0014] X(t)-Ci(t) = ri(t)
[0015] Tl (t)-〔2 (t) =。（t)
[0016] (4)
[0017] ...... 阳 018] r" 1 (t) -C" (t) = r" (t)
【发明内容】
[0019] 针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于 随机共振W及经验模式分解的基本原理，并且根据离屯、式压缩机及其半开式叶轮的结构和 工作参数的特点的基于随机共振的离屯、式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法。
[0020] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于随机共振的离屯、式压缩机半开 式叶轮裂纹检测方法，包括W下步骤：
[0021] a.经验模式分解与随机共振处理：对采集的压力脉动信号进行经验模式分解，获 取评判叶片裂纹有无的特征频率f。;对采集的压力脉动信号进行随机共振处理，再进行频 谱分析获取随机共振频谱；
[0022] b.倍频分析获取特征频率：在随机共振频谱中寻找特征频率f。及其倍频，如果存 在则认为f。即为所要找的特征频率，如果不存在则判断叶片正常、无裂纹；
[0023] C.判别裂纹：对比得到的压力脉动信号特征频率是否为轴频，若是轴频则叶片正 常，若不是轴频则存在裂纹。
[0024] 所述经验模式分解包括：叶片通过频率处带通滤波；对滤波信号进行包络处理； 经验模式分解；对IMF信号进行FFT变换；获得低频处特征频率f。。
[0025] 所述随机共振处理包括：对压力脉动信号进行样条插值并进行重采样；时域拉伸 整体数据除W有效值；并对随机共振中的双稳系统进行求参数；将参数代入从而保障信号 在选定频率附近共振。
[00%] 所述压力脉动信号由分别安装在离屯、式压缩机叶轮入口、扩压器入口、扩压器出 口处的压力脉动传感器采集而来，并由数据采集分析仪对压力脉动信号进行分析处理。
[0027] 本发明具有W下优点及有益效果：
[0028] 能够通过简单快速搭建的离屯、式压缩机振动信号实时数据采集平台，对离屯、式压 缩机扩压器入口 W及出口的压力脉动信号数据进行采集，进而对数据进行数据处理，通过 判断故障频率的有无进而可对离屯、式压缩机半开式叶轮裂纹故障进行识别，进而能够有效 避免因叶轮裂纹故障而导致的事故发生。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明方法中待检测裂纹及应变片位置图；
[0030] 图2为本发明方法流程图；
[0031] 图3为本发明方法中经验模式分解流程图；
[0032] 图4为本发明方法中随机共振处理流程图；
[0033] 图5为本发明方法中4500rpm应变数据频谱图；
[0034] 图6为本发明方法中压力脉动信号时域及频域图；
[0035] 图7为本发明方法中对包络信号的EMD分解后时域图；
[0036] 图8为本发明方法中第一阶IMF及其频谱图；
[0037] 图9为本发明方法中随机共振后时域图；
[0038] 图10为本发明方法中随机共振后频域图；
[0039] 图11为本发明方法中随机共振后频域放大图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0041] 如图1所示，图中a、b、c、d为应变片粘贴位置，其中a、b、c在有裂纹叶片上、d在 正常叶片上，叶片裂纹已标出。
[0042] 本发明方法中硬件平台搭建如下：
[0043] 离屯、式压缩机压力脉动信号数据采集平台的搭建：
[0044] 具有多输入通道及数据处理功能的数据采集系统，该系统由NI4472数据采集卡 和东方所DASP采集软件搭建，传感器为PCB106B52型压力脉动传感器；
[0045] 通过数据采集系统实时采集与显示离屯、式压缩机压力脉动信号，本发明所研究的 是工业用离屯、式压缩机，对离屯、式压缩机扩压器入口 W及出口的压力脉动信号数据进行采 集，进而对数据进行数据处理，证明扩压器入口 W及出口的压力脉动数据可W对叶片裂纹 进行有效的反映。
[0046] 叶片应力采集平台的搭建：
[0047] 具有无限传输功能的叶片应力无线测试系统，该系统由北京必创的四通道SG403/ SG404无线应变传感器节点和BS903无线接收网关搭建，应变片为北京必创BF120-2AA (11) GN20-W应变片；
[0048] 对压缩机的正常与有裂纹叶片进行应力测试，W获得反映叶片故障的特征频率。
[0049] 叶片应力信号由分别安装在叶片裂纹附近W及无裂纹的叶片上的应变片采集而 来，并由无线应力数据采集分析单元对叶片应力信号进行分析处理。
[0050] 压力脉动信号为不同转速下裂纹为70mm的压缩机压力脉动信号，由分别安装在 离屯、式压缩机叶轮入口、扩压器入口、扩压器出口处的压力脉动传感器采集而来，并由数据 采集分析仪对压力脉动信号进行分析处理。
[0051] 基于随机共振的离屯、式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法，如图2所示，基于随机 共振W及经验模式分解的基本原理，并且根据离屯、式压缩机及其半开式叶轮的结构和工作 参数的特点，包括W下步骤：a.经验模式分解与随机共振处理：对采集的压力脉动信号进 行经验模式分解，获取评判叶片裂纹有无的特征频率f。;对采集的压力脉动信号进行随机 共振处理，再进行频谱分析获取随机共振频谱；b.倍频分析获取特征频率：在随机共振频 谱中寻找特征频率f。及其倍频，如果存在则认为f。即为所要找的特征频率，如果不存在则 判断叶片正常、无裂纹；C.判别裂纹：对比得到的压力脉动信号特征频率是否为轴频，若是 轴频则叶片正常，若不是轴频则存在裂纹。所述轴频为主轴转速/60,轴频会调制到信号中， 因此采用判定是否为轴频来判别有无裂纹。
[0052] 此外，还包括验证步骤：a.频谱分析获取故障频率：对叶片应力信号进行频谱分 析得到叶片裂纹故障频率；b.对比特征频率f。与叶片应力信号的故障频率，验证特征频率 f。的方法正确性。
[0053] 如图6所示，为本发明方法中压力脉动信号时域及频域图；其中，叶轮转速为 4500;rpm，叶片数为13。
[0054] 经验模式分解：经验模式分解过程如图3所示，包括：叶片通过频率处带通滤波； 对滤波信号进行包络处理；经验模式分解；对IMF信号进行FFT变换；获得低频处特征频率 f。。图7为本发明方法中对包络信号的EMD分解后时域图；图8为本发明方法中第一阶IMF 及其频谱图；图中标注的即为经验模式分解后获取的53化左右的特征频率f。。 阳化5] 随机共振处理与频谱分析：随机共振处理过程如图4所示，包括：对压力脉动信号 进行样条插值并进行重采样；时域拉伸整体数据除W有效值；并对随机共振中的双稳系统 进行求参数；将参数代入从而保障信号在选定频率附近共振。对随机共振处理后的压力脉 动信号进行频谱分析如图9、10、11所示，图9为本发明方法中随机共振后时域图，图10为 本发明方法中随机共振后频域图，图11为本发明方法中随机共振后频域放大图，图中标注 点为53化频率及其倍频，可见与EMD分解得到的特征频率f。对应，即为要提取的特征频率。 [0056] 如图5所示，为本发明方法中4500rpm应变信号数据频谱图，图中四幅图分别为应 变片上a、b、c、d四个检测点的应力频谱图，由图中可W看出上述四个检测点都存在75Hz的 转频，而叶片上裂纹b、C两点存在53化的特征频率，而d点不存在53化的特征频率，故认 为53化为故障频率，因此，验证了本发明方法中如图11所示最终获取的53化频率为特征 频率的方法是正确的。
【主权项】
1. 基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法，其特征在于，包括以下步 骤： a. 经验模式分解与随机共振处理：对采集的压力脉动信号进行经验模式分解，获取评 判叶片裂纹有无的特征频率f。;对采集的压力脉动信号进行随机共振处理，再进行频谱分 析获取随机共振频谱； b. 倍频分析获取特征频率：在随机共振频谱中寻找特征频率f。及其倍频，如果存在则 认为f。即为所要找的特征频率，如果不存在则判断叶片正常、无裂纹； c. 判别裂纹：对比得到的压力脉动信号特征频率是否为轴频，若是轴频则叶片正常， 若不是轴频则存在裂纹。2. 根据权利要求1所述的基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法，其 特征在于，所述经验模式分解包括：叶片通过频率处带通滤波；对滤波信号进行包络处理； 经验模式分解；对MF信号进行FFT变换；获得低频处特征频率之。3. 根据权利要求1所述的基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方法，其 特征在于，所述随机共振处理包括：对压力脉动信号进行样条插值并进行重采样；时域拉 伸整体数据除以有效值；并对随机共振中的双稳系统进行求参数；将参数代入从而保障信 号在选定频率附近共振。4. 根据权利要求1或3所述的基于随机共振的离心式压缩机半开式叶轮裂纹检测方 法，其特征在于，所述压力脉动信号由分别安装在离心式压缩机叶轮入口、扩压器入口、扩 压器出口处的压力脉动传感器采集而来，并由数据采集分析仪对压力脉动信号进行分析处 理。
【文档编号】G06F19/00GK105987809SQ201510069313
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月10日
【发明人】李宏坤, 伊洪丽, 肖忠会, 张学峰, 张晓雯, 孟继纲, 李凯华
【申请人】沈阳透平机械股份有限公司