一种风机叶片裂纹位置确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种风机叶片裂纹位置确定方法，所述方法包括以下步骤：S1、模拟叶片不同位置发生裂纹故障，并计算其前三阶固有频率；S2、以每阶所述固有频率、裂纹的相对深度、裂纹的相对径向位置为坐标轴，绘制固有频率解曲面图，构造故障样本库；S3、叶片故障诊断时，通过计算获得叶片的前三阶固有频率，将其反向输入到所述故障样本库；S4、利用等高线法进行求解，得到裂纹所在的深度和径向位置。本发明的方法利用等高线法求解叶片裂纹产生的位置，不仅实现了对风机叶片裂纹的及时诊断，还实现了对风机叶片裂纹位置的定量分析，诊断速度快且结果可靠，为设备维护提供了有力保障。
【专利说明】一种风机叶片裂纹位置确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及设备故障诊断【技术领域】，更具体涉及一种风机叶片裂纹位置确定方 法。
【背景技术】
[0002] 风机因其风压稳定、风量大、效率高、噪声小等特点，广泛应用于工厂、矿井、隧道、 冷却塔、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却，为安全生产提供了基本保障。风机叶轮系统是 风机的核心部件，它担负着把电能转化为机械能的重要任务。叶轮在工作过程中承受着离 心力、流体动力、振动、温差、工作介质等的综合作用，应力状况比较复杂。特别在实际工作 中，叶片的工作环境更加恶劣，不但要经历启动、停机，还经常在非设计工况下运行。这些稳 定和非稳定因素造成的复杂的气流激励力及变化的离心力使得叶片因自振频率和激励源 频率一致而产生共振破坏，加之因制造、安装误差和加工应力等因素的综合影响，降低了叶 片的抗疲劳能力，造成叶片的疲劳损坏，使之产生裂纹，并对整个机组的安全运行带来严重 的威胁，甚至导致重大事故的发生。
[0003] 风机的工作环境中往往有很强的背景噪声，利用传感器获取到的风机的状态信号 常伴随着环境噪声的干扰。现有的叶片裂纹诊断方法，不论是基于声发射技术还是依靠对 获取到的振动信号进行频谱分析，只能诊断出叶片是否存在裂纹，而不能具体的检测到裂 纹发生的位置，不能有效避免叶片裂纹带来的经济损失，同时也加大了设备维护的难度。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是如何确定叶片是否发生裂纹，以及裂纹发生的位置。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风机叶片裂纹位置确定方法，包括以 下步骤：
[0008] S1、模拟叶片不同位置发生裂纹故障，并计算其前三阶固有频率；
[0009] S2、以每阶所述固有频率、裂纹的相对深度、裂纹的相对径向位置为坐标轴，绘制 固有频率解曲面图，构造故障样本库；
[0010] S3、叶片故障诊断时，通过计算获得叶片的前三阶固有频率，将其反向输入到所述 故障样本库；
[0011] S4、利用等高线法进行求解，得到裂纹所在的径向位置和深度。
[0012] 优选地，所述步骤S2中，裂纹的相对径向位置α为裂纹的径向位置1与叶片长 度L之比a = 1/L，其中，所述径向位置1从靠近叶轮的叶片根部开始计算，取值范围为 0〈1〈L。
[0013] 优选地，所述步骤S2中，裂纹的相对深度β为裂纹的深度b与叶片厚度h之比β =b/h，其中所述深度b从叶片的吸力面开始计算，取值范围为0〈b〈h。
[0014] 优选地，所述步骤S2中，以所述裂纹相对径向位置α为x轴，以所述裂纹相对深 度β为y轴，以叶片每阶所述固有频率ω为Ζ轴。
[0015] 优选地，所述步骤S2中，固有频率解曲面为将第i阶所述固有频率与所述相 对径向位置α和所述相对深度β的关系，并且以所述相对径向位置α和所述相对深度β 为变量，拟合成的曲面。
[0016] 优选地，所述步骤S4中，等高线法求解的过程为，将每阶所述固有频率代入到所 述故障样本库中，绘制出对应的频率等高线图，然后将三幅所述频率等高线图绘制在同一 平面上，得到的交点坐标对应裂纹的相对径向位置和相对深度，最后计算得到裂纹的径向 位置和深度。
[0017](三）有益效果
[0018] 本发明提供了一种风机叶片裂纹位置确定方法，与现有技术相比，本发明利用等 高线法求解叶片裂纹产生的位置，不仅实现了对风机叶片裂纹的及时诊断，还实现了对风 机叶片裂纹位置的定量分析，诊断速度快且结果可靠，为设备维护提供了有力保障，用于风 机叶片裂纹故障的早期预警和定量检测，减少因故障造成的非计划性停产，从而降低经济 损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明的一种风机叶片裂纹位置确定方法的流程图；
[0021] 图2a为风机叶片的结构示意图；
[0022] 图2b为图2a中A-A剖面图；
[0023] 图3为本发明的一种风机叶片裂纹位置确定方法的固有频率解曲面示意图；
[0024] 图4为本发明的一种风机叶片裂纹位置确定方法的等高线三维示意图；
[0025] 图5为本发明的一种风机叶片裂纹位置确定方法的等高线平面示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发 明，但不能用来限制本发明的范围。
[0027] 图1为本发明的一种风机叶片裂纹位置确定方法的流程图；本法买那个的方法包 括以下步骤：
[0028] S1、模拟叶片不同位置发生裂纹故障，并计算其前三阶固有频率；
[0029] S2、以每阶所述固有频率、裂纹的相对深度、裂纹的相对径向位置为坐标轴，绘制 固有频率解曲面图，构造故障样本库；
[0030] S3、叶片故障诊断时，通过计算获得叶片的前三阶固有频率，将其反向输入到所述 故障样本库；
[0031] S4、利用等高线法进行求解，得到裂纹所在的深度和径向位置。
[0032] 本发明利用等高线法求解叶片裂纹产生的位置，不仅实现了对风机叶片裂纹的及 时诊断，还实现了对风机叶片裂纹位置的定量分析，诊断速度快且结果可靠，为设备维护提 供了有力保障。
[0033] 所述步骤S2中，裂纹的相对径向位置α为裂纹的径向位置1与叶片长度L之比 a = 1/L，其中，径向位置1从靠近叶轮的叶片根部1开始计算，取值范围为0〈1〈L，如图2a 所示；裂纹的相对深度β为裂纹的深度b与叶片厚度h之比β =b/h，其中所述深度b从 叶片的吸力面2开始计算，取值范围为0〈b〈h，如图2b所示，3为压力面；以所述裂纹相对 径向位置α为X轴，以所述裂纹相对深度β为 y轴，以叶片每阶所述固有频率ω为z轴， 利用样条曲面拟合技术拟合固有频率解曲面图；固有频率解曲面为将第i阶所述固有频率 ?i与所述相对径向位置α和所述相对深度β的关系，并且以所述相对径向位置α和所 述相对深度β为变量，拟合成的曲面，如图3所示。
[0034] 计算故障叶片固有频率时，可将叶片简化为矩形截面梁，则其前三阶固有频率的 理论解为：
[0035]
【权利要求】
1. 一种风机叶片裂纹位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 模拟叶片不同位置发生裂纹故障，并计算其前三阶固有频率； 52、 以每阶所述固有频率、裂纹的相对深度、裂纹的相对径向位置为坐标轴，绘制固有 频率解曲面图，构造故障样本库； 53、 叶片故障诊断时，通过计算获得叶片的前三阶固有频率，将其反向输入到所述故障 样本库； 54、 利用等高线法进行求解，得到裂纹所在的径向位置和深度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，裂纹的相对径向位置α 为裂纹的径向位置1与叶片长度L之比a = 1/L，其中，所述径向位置1从靠近叶轮的叶片 根部开始计算，取值范围为〇〈l〈L。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，裂纹的相对深度β为裂 纹的深度b与叶片厚度h之比β =b/h，其中所述深度b从叶片的吸力面开始计算，取值范 围为0〈b〈h。
4. 根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，以所述裂纹相对 径向位置α为X轴，以所述裂纹相对深度β为7轴，以叶片每阶所述固有频率ω为z轴。
5. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，固有频率解曲面为将第i 阶所述固有频率与所述相对径向位置α和所述相对深度β的关系，并且以所述相对 径向位置α和所述相对深度β为变量，拟合成的曲面。
6. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S4中，等高线法求解的过程为， 将每阶所述固有频率代入到所述故障样本库中，绘制出对应的频率等高线图，然后将三幅 所述频率等高线图绘制在同一平面上，得到的交点坐标对应裂纹的相对径向位置和相对深 度，最后计算得到裂纹的径向位置和深度。
【文档编号】G06F19/00GK104267097SQ201410469897
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】付胜, 高银波 申请人:北京工业大学