非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及葉片振動信號在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種非均勻欠采樣葉端 定時振動信號重構(gòu)方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 高周疲勞是燃氣輪機、航空發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械高速葉片的常見故障，它常常在設(shè) 備運行過程中出現(xiàn)，并導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋、斷裂，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。葉片振動 是高周疲勞的直接誘因。特別是振動頻率達到轉(zhuǎn)速周期整數(shù)倍的同步振動時，其引發(fā)的同 步共振能持續(xù)增大葉片的振動幅度和所承受的應(yīng)力，對葉片造成巨大的不可逆?zhèn)?。為此?對旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的振動進行在線監(jiān)測，能有效避免出現(xiàn)對葉片具有潛在危害的應(yīng)力分布， 對于保證旋轉(zhuǎn)機械的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
[0003] 自20世紀60年代以來，非接觸式葉端定時測量方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葉片振動的在 線監(jiān)測中。相比傳統(tǒng)應(yīng)變片接觸測量法，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，靈敏度高，能同時 測量所有葉片的振動情況等突出的優(yōu)點。非接觸式葉端定時測量法通過沿圓周方向安裝在 機匣上的一組葉尖定時傳感器記錄葉片通過傳感器的時間。當(dāng)葉片沒有發(fā)生振動時，其到 達傳感器的基準時間只與轉(zhuǎn)速、葉片半徑以及傳感器安裝夾角相關(guān);而當(dāng)葉片發(fā)生振動時， 其到達傳感器的實際時間會超前或滯后于這個基準時間，產(chǎn)生一個時間差。對該時間差信 號序列進行處理就可以得到旋轉(zhuǎn)葉片葉端的振動位移序列，從而可以估計出葉片的各項振 動特性。
[0004] 采用葉端定時測量方法進行振動監(jiān)測，欠采樣是必須解決的重要技術(shù)問題。由于 葉端定時測量采樣頻率取決于轉(zhuǎn)速和傳感器數(shù)目，受限于實際工況中的傳感器安裝代價和 空間等因素，葉端定時傳感器數(shù)目一般較少，使得其采樣頻率一般遠低于高速葉片的固有 頻率。因此，該采樣過程并不滿足奈奎斯特采樣定理，使得所獲得的采樣信號存在混淆，不 能真實反映葉片的振動行為，必須對信號進行重構(gòu)以獲取精確的葉片振動特征。
[0005] 當(dāng)前，對葉端定時信號重構(gòu)算法的研究，主要集中于采用均勻采樣的方法對異步 振動信號進行重構(gòu)，如CN201310460647.8中公開了一種高速葉片欠采樣葉端振動信號的無 混疊重構(gòu)方法，該方法通過將葉片振動信號看成是帶通信號，基于香農(nóng)采樣定理對所得信 號進行均勻重構(gòu)。然而，在設(shè)備運行過程中，葉片同步振動具有更大的破壞性，而均勻采樣 不利于監(jiān)測葉片的同步振動。當(dāng)葉片同步振動發(fā)生時，多個均勻安裝于機匣內(nèi)的傳感器進 行采樣時，存在一種采樣可能：多個傳感器均采集到多個周期上葉片振動波形上的同一個 位移點，造成采樣數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)分析難度急劇增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法及其裝置， 該發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中僅存在針對均勻采樣所得葉片振動信號，進行信號重構(gòu)的方法的 技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明提供一種欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法，包括以下步驟:步驟S100:獲 取葉片的振動特性參數(shù)和振動位移，在葉片旋轉(zhuǎn)N圈后，采集振動位移的葉端定時信號時間 序列;步驟S200:構(gòu)建葉端定時振動信號非均勻采樣模型，模型中包含多路均勻采樣葉端定 時信號之和以及葉片振動信號r(t)，據(jù)此采用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端定時信 號；步驟S300:對每路均勻采樣葉端定時信號構(gòu)建插值函數(shù)5 1(〇,得到葉端定時振動信號 在頻域中的重構(gòu)公式，對其進行傅里葉逆變換得到葉端定時振動信號的時域重構(gòu)公式，據(jù) 時域重構(gòu)對葉端定時信號時間序列進行重構(gòu);葉片的轉(zhuǎn)動頻率恒定。
[0008] 進一步地，葉片的振動特性參數(shù)包括葉片的固有頻率估計值1、振動帶寬B和振 型;還包括步驟S110:確定葉片的頻帶，頻帶為信號頻帶[f『Bq/2，fq+Bq/2]，其中：f〇為中心 頻率，B〇為帶寬;葉端定時振動信號屬于頻帶，' =% β
[0009] 進一步地，葉端定時振動信號非均勻欠采樣模型為公式(2):
[0010]
[0011]其中r(t)為真實的葉片振動信號，x(t)為葉端位移采樣數(shù)據(jù)，δ為狄利克雷函數(shù)。
[0012] 進一步地，葉端定時振動信號在頻域中的重構(gòu)公式為公式(3):
[0013]
[0014] 其中R( f)為r (t)的功率譜，Si (f)為Si (t)的功率譜，Ri (f)為重構(gòu)葉端定時振動信 號的功率譜，αι為第i個葉端定時傳感器的安裝角，j為根據(jù)Bo/fr將原始葉端定時信號頻帶 劃分成多個子頻帶中的第j個子頻帶，為葉片的轉(zhuǎn)動頻率。
[0015] 進一步地，步驟S300中還包括以下步驟:步驟S310:計算子頻帶中由于欠采樣產(chǎn)生 的復(fù)制信號索引；
[0016] 步驟3320:以1?1(〇=1?(〇，從而得到用于消除復(fù)制信號的方程組 ：
[0017]
[0018] 其中，Z為整數(shù)域，Si, j(f)是Si(f)在給定子頻帶內(nèi)的第j個分量，求解公式(4)得到 Si(f);步驟S330:將Si (f)帶入公式(3)中，構(gòu)建得到葉端定時振動信號在頻域中的重構(gòu)公 式;Βθ/fr小于葉端定時傳感器的數(shù)目I。
[0019] 進一步地，葉片的振動位移根據(jù)公式(1)得到：
[0020]
⑴;其中：4C)表示第η個轉(zhuǎn)速周期內(nèi)，第 k個葉片通過第i個葉端定時傳感器的振動位移，zt表示第η個轉(zhuǎn)速周期內(nèi)，第k個葉片通過 第i個葉端定時傳感器的實際到達時間表示第i個葉端定時傳感器的安裝角，9k表示第k
[0021] 個葉片的位置，R表示葉片葉端到旋轉(zhuǎn)中心軸的距離，fr為葉片的轉(zhuǎn)動頻率。
[0022]本發(fā)明的另一方面還提供了一種如上述的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法用 裝置，包括:信號獲取模塊：用于獲取葉片的振動特性參數(shù)和振動位移，在葉片旋轉(zhuǎn)N圈后， 采集振動位移的葉端定時信號時間序列；構(gòu)建采樣模塊：用于構(gòu)建葉端定時振動信號非均 勻采樣模型，模型中包含多路均勻采樣葉端定時信號之和以及葉片振動信號 r(t)，據(jù)此采 用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端定時信號；重構(gòu)模塊：用于對每路均勻采樣葉端定時 信號構(gòu)建插值函數(shù)Sdt)，得到葉端定時振動信號在頻域中的重構(gòu)公式，對其進行傅里葉逆 變換得到葉端定時振動信號的時域重構(gòu)公式，據(jù)時域重構(gòu)對葉端定時信號時間序列進行重 構(gòu);葉片的轉(zhuǎn)動頻率恒定。
[0023] 進一步地，信號獲取模塊還包括頻帶確定模塊，用于確定葉片的頻帶，頻帶為信號 頻帶[0-80/2,0+80/2]，其中：&為中心頻率，8()為帶寬；葉端定時振動信號屬于頻帶， </〇 = fn 〇
[0024] 進一步地，重構(gòu)模塊還包括:復(fù)制信號索引模塊:用于計算子頻帶中由于欠采樣產(chǎn) 生的復(fù)制?目號索引；
[0025] 復(fù)制信號消除模塊:用于以RKf^iRa)，從而得到用于消除復(fù)制信號的方程組：
[0026]
[0027]其中，Z為整數(shù)域，S^a^Sdf)在給定子頻帶內(nèi)的第j個分量，求解公式(4)得到 SKf);重構(gòu)公式生成模塊:用于將SKf)帶入公式(3)中，構(gòu)建得到葉端定時振動信號在頻域 中的重構(gòu)公式。
[0028]發(fā)明的技術(shù)效果：
[0029] 1本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法能實現(xiàn)對非均勻采樣獲得的葉 片振動信號進行重構(gòu)，避免了數(shù)據(jù)冗余的產(chǎn)生，提高葉片振動分析與故障監(jiān)控的準確性。
[0030] 2、本發(fā)明提供的方法計算過程簡單、易于實現(xiàn)。
[0031] 3、本發(fā)明提供的方法重構(gòu)信號無偏差、無混疊。
[0032] 4、本發(fā)明提供的方法可針對均勻或者非均勻的葉端采樣進行信號重構(gòu)。
[0033] 5、本發(fā)明提供的方法提供真實、可靠的高速葉片振動特性。
[0034] 6、本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)裝置計算過程簡單、易于實現(xiàn)且重 構(gòu)信號無偏差、無混疊。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明提供欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法優(yōu)選實施例的流程示意圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法優(yōu)選實施例的非均勻采樣 插值重構(gòu)示意圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明提供欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖4是本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法優(yōu)選實施例中所用葉端定 時信號采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖5是本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法優(yōu)選實施例的葉端非均勻 采樣中任意一路均勻采樣頻譜示意圖；
[0040] 圖6是本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法的優(yōu)選實施例中光纖傳感 器輸出的四路高速脈沖信號示意圖；
[0041] 圖7是本發(fā)明提供的欠采樣葉端定時振動信號重構(gòu)方法的優(yōu)選實施例的方法重構(gòu) 葉片振動信號得到的葉片振動頻率譜示意圖。
[0042] 圖例說明：
[0043] 110、第一光纖葉端定時傳感器；120、第二光纖葉端定時傳感器；130、第三光纖葉 端定時傳感器;210