陳慶光，王　超

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

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基于葉尖定時法的旋轉(zhuǎn)葉片振動監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

陳慶光，王超

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

摘要：自葉尖定時法提出以來，其眾多突出的優(yōu)點使其成為當(dāng)前旋轉(zhuǎn)葉片在線監(jiān)測領(lǐng)域中的研究熱點。在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先對葉尖定時測量方法的基本原理進(jìn)行簡述，總結(jié)近幾年國內(nèi)外在該領(lǐng)域取得的成果和研究現(xiàn)狀；然后，介紹幾種基于葉尖定時法的傳感器和葉片振動參數(shù)辨識的新方法，并對其進(jìn)行分析和比較。最后，提出該領(lǐng)域未來研究的方向和難點。

關(guān)鍵字：振動與波；葉尖定時法；旋轉(zhuǎn)葉片；葉片振動；參數(shù)辨識；傳感器

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械是在航空、艦船以及電力、煤炭等工程和工業(yè)領(lǐng)域廣范應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備。旋轉(zhuǎn)葉片作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的核心部件，在實際工作中承受極其復(fù)雜的激振力，葉片很容易發(fā)生振動，從而導(dǎo)致疲勞，甚至出現(xiàn)裂紋、折斷等故障，造成嚴(yán)重安全事故。因此，要保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械高效、安全、無故障運行，葉片振動監(jiān)測技術(shù)是不可或缺的手段。

對葉片振動監(jiān)測技術(shù)的研究始于上世紀(jì)30年代，在發(fā)展過程中逐漸由接觸式測量方法過渡到非接觸式測量方法。當(dāng)前，對非接觸測量方法的研究較多，主要有頻率調(diào)制法[1]、葉尖定時法、間斷相位法[2]、聲響應(yīng)法[3]等，其中又以葉尖定時法為該領(lǐng)域的研究熱點。與其他測量方法相比，葉尖定時法不僅結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，而且可以同時監(jiān)測所有葉片的振動情況。

1　葉尖定時測量法的基本原理

葉尖定時測量法是在間斷相位法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種數(shù)字化的間斷相位法，其本質(zhì)是通過記錄葉片經(jīng)過靜止安裝在機(jī)殼上的脈沖傳感器的時間間隔并將之轉(zhuǎn)化為振動位移來實現(xiàn)葉片振動測量的[4]。

如圖1所示，葉尖定時測振技術(shù)的基本原理是將多個葉尖定時傳感器（S0—S2）沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對靜止的殼體上，利用傳感器感受在它前面通過的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號記錄葉片到來的時刻[5，6]。由于葉片的振動，葉片的端部相對于轉(zhuǎn)動方向?qū)蚯盎蛳蚝笃?，從而使得葉片每次到達(dá)傳感器的實際時間與假設(shè)葉片無振動時到達(dá)傳感器的時間不相等，即脈沖實際到達(dá)時間t會隨著葉片的振動發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個時間差tjk，通過不同的分析算法對該時間差序列{tjk}進(jìn)行處理，即可得到葉片的振動信息。圖1中，SZ為轉(zhuǎn)速同步傳感器，SA為葉根同步傳感器，i表示葉尖定時傳感器序號，j表示葉片序號，每個脈沖信號的上升沿代表一個葉片的到來。

圖1　測量原理示意圖

2　葉尖定時法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

葉尖定時法是從上世紀(jì)60年代開始逐漸發(fā)展起來的，最先由法國的Holz提出[7]，并于上世紀(jì)70年代由Zablotsky-Korostelev發(fā)展為單參數(shù)法（又稱速矢端跡法）[8]。迄今，國外很多大學(xué)和公司對葉尖定時測振技術(shù)開展了大量的研究工作，并逐漸產(chǎn)品化，主要用于測量葉片顫振、葉片應(yīng)力、葉片疲勞以及葉片振動異常等。例如，美國空軍阿諾德工程研發(fā)中心（AEDC）研發(fā)的非介入式應(yīng)力測量系統(tǒng)（NSMS,Non-Intrusive Stress Measurement System）、德國MIU公司開發(fā)的非接觸葉片振動測量系統(tǒng)等。但從目前檢索到的文獻(xiàn)來看，已有的研究和產(chǎn)品還停留在葉片振動參數(shù)的獲取階段，如果再配備相應(yīng)的故障診斷和預(yù)警機(jī)制，將會使得該項技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊。

國內(nèi)對葉尖定時技術(shù)研究較多的有天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，該實驗室于2002年開始對其進(jìn)行研究，2003年開發(fā)出了第一代監(jiān)測系統(tǒng)（高速實時旋轉(zhuǎn)葉片振動檢測系統(tǒng)）[9]，隨后在2007年開發(fā)出了軟硬件較為完整的第二代葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)[10]，并在中國燃?xì)鉁u輪研究院、華北電力大學(xué)的現(xiàn)場試驗中取得成功。2008年該實驗室的張玉貴進(jìn)一步完善了用于葉尖定時技術(shù)的電容式傳感器[11]，開發(fā)出一套用于煙氣輪機(jī)的葉片振動在線監(jiān)測系統(tǒng)。2011年歐陽濤又提出了一種基于任意角分布的多傳感器同步振動參數(shù)辨識方法[12]，彌補(bǔ)了之前傳感器安裝角度不精確的缺陷。另外，作者所在的山東科技大學(xué)通風(fēng)機(jī)技術(shù)研究所，于2011年針對礦用軸流式通風(fēng)機(jī)的實際工作情況，提出了適用于軸流式通風(fēng)機(jī)的脈沖寬帶測量法[13，14]，并在某一型號的礦用通風(fēng)機(jī)上獲得實驗驗證。上述工作使得我國在葉尖定時測振技術(shù)領(lǐng)域得到了一定的發(fā)展，但也不難看出，與國外相比，我國在該領(lǐng)域的探索依然處于理論、仿真和實驗研究階段。因此，研究開發(fā)出一整套可實際應(yīng)用于具體產(chǎn)品的葉片振動監(jiān)測系統(tǒng)還需要我國科研人員的進(jìn)一步努力。

當(dāng)前，關(guān)于葉尖定時測振系統(tǒng)的研究主要集中在葉尖定時傳感技術(shù)和振動參數(shù)辨識技術(shù)兩個方面，下面分別介紹這兩種技術(shù)的研究進(jìn)展。

3　葉尖定時傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

葉尖定時傳感器的主要功能是為后續(xù)電路提供葉尖定時信號，因此也是整個高速旋轉(zhuǎn)葉片振動測量系統(tǒng)的關(guān)鍵，其精度直接影響到整個測量系統(tǒng)的精度。為滿足不同環(huán)境對傳感器的要求，在非接觸式葉尖定時測量系統(tǒng)領(lǐng)域主要研究了光纖式、電容式、電渦流式、磁阻式[15]等幾種類型的葉尖定時傳感器。

3.1光纖式葉尖定時傳感器

光纖式傳感器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型傳感器，其實質(zhì)是利用光在光纖中傳播特性的變化來度量它所受環(huán)境的變化。光纖式傳感器的結(jié)構(gòu)小巧、響應(yīng)快、精度高。目前，國內(nèi)較先進(jìn)的是Y型光纖束式葉尖定時傳感器[16]，該傳感器是在半封閉型和Y型光纖式葉尖定時傳感器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。它的發(fā)射光路與接收光路是完全分離的，這樣減弱了背景光的影響，提高了信噪比。現(xiàn)場試驗也表明，該傳感器能夠測量的最高轉(zhuǎn)速也達(dá)到了10 000 r/min，這滿足了大部分的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。但是，光纖式傳感器對于環(huán)境的要求極其苛刻，這也大大限制了其使用范圍。國內(nèi)外學(xué)者為此也做了很多努力，武漢理工大學(xué)王俊杰等提出了光纖光柵磁耦合傳感器[17]，它將光纖式傳感器中極易受到污染的探頭替換成了一枚處于磁場中的探針，利用探針的振動改變光纖光柵中心波長的變化，反映葉片到來的時刻。這樣在一定程度上降低了對環(huán)境的要求，但受探針固有頻率的影響，其所能測量的轉(zhuǎn)速范圍也是有限的。

3.2電容式葉尖定時傳感器

電容式傳感器[18]在測振方面的應(yīng)用較早，其實質(zhì)是根據(jù)傳感器芯極與葉片端面間形成的電容變化獲取葉片的到來時刻。與光纖式葉尖定時傳感器相比，該傳感器最大的優(yōu)點就是對環(huán)境的要求較低。目前，用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片振動測量的主要是雙屏蔽式電容傳感器。

雙屏蔽式電容傳感器是在單屏蔽式的基礎(chǔ)上，將單屏蔽式電容傳感器測頭中的單屏蔽環(huán)改為雙屏蔽環(huán)改進(jìn)而來的，這樣能夠提高傳感器的抗干擾能力，但也降低了系統(tǒng)的帶寬。另外，目前國內(nèi)設(shè)計的用于旋轉(zhuǎn)葉片振動監(jiān)測的雙屏蔽式電容傳感器適用的最高轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，耐溫低于200℃，能用于更高溫度和轉(zhuǎn)速的電容式傳感器還需要進(jìn)一步研究開發(fā)。

3.3電渦流式葉尖定時傳感器

電渦流葉尖定時傳感器[19]是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，這個電渦流會改變傳感器的原有磁場，通過檢測這種變化，可以檢測葉片到來的時刻。與光纖式和電容式傳感器相比，電渦流式葉尖定時傳感器最大的優(yōu)點是能夠透過機(jī)殼獲取葉片到來的信號，且可以在有污染的環(huán)境中對葉片振動進(jìn)行測量。在國外，英國的Qineti Q公司已經(jīng)研制出了一種電渦流傳感器，并在一臺Spey RB168-101發(fā)動機(jī)上得到驗證[20]；美國的HOOD技術(shù)公司也利用冷卻裝置研制出了可耐氣溫達(dá)1 000℃的電渦流傳感器。但在國內(nèi)，將電渦流傳感器應(yīng)用到葉片振動監(jiān)測技術(shù)中的研究幾乎是空白，這也是我國在該領(lǐng)域未來幾年需要加強(qiáng)研究開發(fā)的重點之一。

4　葉片振動參數(shù)辨識技術(shù)研究進(jìn)展

利用傳感器得到一系列時間差序列{tjk}、并對其進(jìn)行后處理時，由于單支葉尖定時傳感器在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，只能對每個葉片獲得一個到來時間信號，這就相當(dāng)于每個傳感器以轉(zhuǎn)速頻率對每個葉片進(jìn)行采樣，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率遠(yuǎn)小于葉片的振動頻率，因此對葉片振動的采樣方法屬于一種嚴(yán)重欠采樣方法。另外，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的一段較短時間內(nèi)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)速是恒定的，當(dāng)葉片不振動時，傳感器對葉片的采樣頻率是均勻的，即轉(zhuǎn)速頻率，但當(dāng)葉片振動時，傳感器對葉片的采樣時間是隨葉片的振動而發(fā)生變化的，即采樣頻率是不均勻的，因此，對葉片振動的采樣方法也是一種非均勻采樣。鑒于上述兩種葉片振動采樣方法的特點，葉片振動參數(shù)辨識技術(shù)也就成為該領(lǐng)域研究的熱點和難點。

4.1差頻法

差頻法是由滕麗娜針對葉片振動采樣的非均勻采樣性而提出的[21]，但它只限于在葉片處于異步振動時提取出葉片的振動參數(shù)，其獲得葉片振動振幅和頻率的方法如下：

對于異步振動，在足夠長的時間范圍內(nèi)可以將采集到的N個振動位移中的最大值作為葉片的振幅，但這樣所用時間較長。張玉貴則給出了另外一種方法，即把N個振動位移序列做FFT變換，從峰值頻率成分中獲得葉片的振幅[4]，這種方法在短時間內(nèi)即可獲得葉片振幅，且更為準(zhǔn)確。

對振動位移序列做FFT變換的結(jié)果是葉片實際振動頻率的差頻部分，再通過計算葉片的動頻，并把它作為葉片實際振動頻率的整頻部分，差頻與整頻的和即為葉片的實際振動頻率。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和傳感器個數(shù)的有限性，因此該方法無法克服欠采樣所帶來的模糊頻率測量。

4.2多速率采樣頻率辨識法

多速率采樣頻率辨識法是對三均布、五均布和“5+2”法的統(tǒng)稱，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的殼體上等間隔地安裝三支或五支傳感器形成三均布法或五均布法，在五均布的基礎(chǔ)上再安裝兩支傳感器，并使這兩支傳感器與五均布中的任一傳感器形成三均布則形成“5+ 2”法[22]。

在異步振動時，這三種方法均是對差頻法的改進(jìn)和延伸，采用增加傳感器均布個數(shù)的方法增大對葉片振動的采樣頻率，從而大大降低被測頻率的模糊程度。在同步振動時，該方法是利用同步振動不是很穩(wěn)定但同步共振占優(yōu)的較短時間內(nèi)進(jìn)行測量的。此時，若葉片振動的階次不是傳感器個數(shù)的整數(shù)倍，雖然每支葉片的振動位移是相同的，但不同傳感器測得的振動位移是不同的，依然可以通過FFT變換的方法求得差頻部分，從而求得葉片的振幅和頻率。

4.3任意角分布法

任意角分布法[14]是利用遍歷算法對葉片振動倍頻進(jìn)行辨識的，在旋轉(zhuǎn)葉片異步振動時，其通過遍歷選取不同的倍頻數(shù)，將計算得到的相位差與實測相位差進(jìn)行對比，找出偏離實測相位差最小的倍頻數(shù)，從而求得葉片動頻。將葉片動頻與通過ap FFT（全相位傅立葉變換）求得的葉片差頻求和，即為葉片的實際頻率。在葉片同步振動，利用同步振動葉片的位移方程，遍歷選取不同的倍頻值，求得若干組理論振動位移值，與實測振動位移值進(jìn)行比較，找出最佳的倍頻值。振動頻率即為倍頻數(shù)與轉(zhuǎn)速頻率的乘積。目前該方法只是在葉片異步和同步等少數(shù)幾種振動狀態(tài)時是有效的，能夠在喘振、失速等更多振動狀態(tài)依然有效的辨識算法有待于進(jìn)一步的探索與完善。

以上僅為最近幾年新提出的幾種葉片振動參數(shù)辨識方法，除此之外，還有一些比較經(jīng)典的方法，例如，變速下可采用的速矢端跡法[23]，為克服欠采樣帶來的模糊問題而采用的延時采樣頻率測量法，以及為克服測量盲點而采用的二等夾角法等。但這些方法也大都是只針對某一方面的問題而提出的解決方案，仍無法全面而準(zhǔn)確地識別出測量所需要的振動參數(shù)。

5　總結(jié)與展望

綜上所述，人們在葉片振動監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用方面做了大量的工作，經(jīng)過最近幾十年的發(fā)展，無論是在理論方面還是在實驗研究方面都取得了豐碩的成果。但是該技術(shù)在適應(yīng)葉輪機(jī)械葉片的高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜的運行環(huán)境方面，依然需要科研人員的不懈努力。在未來的研究工作中，應(yīng)該重點關(guān)注和探索以下幾個方面的問題。

（1）提高葉尖定時傳感器的精度和環(huán)境適應(yīng)性。葉片振動監(jiān)測的準(zhǔn)確度取決于傳感器，因此，傳感器的精度和環(huán)境適應(yīng)能力將是未來評價一個葉片振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。另外，目前葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)速在不斷地提高，這對傳感器的精準(zhǔn)度也提出了越來越高的要求，所以研究可以在葉片的高轉(zhuǎn)速、高污染環(huán)境中使用的傳感器已迫在眉睫；

（2）探索新的葉片振動信息辨識算法。由于葉片振動采樣方法存在嚴(yán)重欠采樣性和非均勻性，使得現(xiàn)有的參數(shù)識別方法無法全面而準(zhǔn)確地識別出測量所需要的振動參數(shù)。另外，現(xiàn)有的辨識方法僅僅能夠分辨出同步和異步振動等幾種葉片振動狀態(tài)，而在實際應(yīng)用中，對葉片顫振、失速等非常規(guī)振動狀態(tài)的分辨監(jiān)測也是至關(guān)重要的。因此，不斷探索出可以克服上述兩種采樣特點所帶來的模糊測量和測量盲點問題，且能夠分辨出更多葉片振動狀態(tài)的新的辨識方法是未來的重點研究方向之一；

（3）對葉片振動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與推廣。國外已將葉片振動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到具體的產(chǎn)品之中，而我國在該領(lǐng)域的起步較晚，目前也僅僅停留在理論探索和實驗研究階段。因此，研究開發(fā)性能穩(wěn)定，并可以應(yīng)用到實際葉輪機(jī)械中的葉片振動測量系統(tǒng)是我國今后一段時期內(nèi)在葉片振動監(jiān)測領(lǐng)域的一個主要方向；

（4）建立故障診斷與預(yù)警機(jī)制。將葉片振動參數(shù)監(jiān)測與目前已有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)相整合[24，25]，建立相應(yīng)的故障類型數(shù)據(jù)庫和預(yù)警機(jī)制，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)故障時，能夠快速而準(zhǔn)確地判別出故障類型、定位故障源，并能夠根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對即將發(fā)生故障的部位進(jìn)行提前預(yù)警，從而避免更大事故的發(fā)生。故障診斷與預(yù)警機(jī)制的研究與應(yīng)用也將使得該領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。

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E-mail:chenqingguang03@tsinghua.org.cn

向為流體機(jī)械。

中圖分類號：O329

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.001

文章編號：1006-1355(2016)01-0001-04+37

收稿日期：2015-03-16

基金項目：山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2013EEM017）；山東省高等學(xué)校優(yōu)秀骨干教師國際合作培養(yǎng)項目；中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計劃項目（MTKJ 2011-366）

作者簡介：陳慶光(1969-)，男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向：從事流體機(jī)械及工程、噪聲與振動控制、流固耦合計算與分析等。

通訊作者：王超（1990-），男，山東濟(jì)南人，碩士，主要研究方

Advances in Research andApplication of Vibration Monitoring Technology for Rotating Blades Based on Blade Tip Timing Method

CHEN Qing-guang,WANGChao

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China)

Abstract:The blade tip timing(BTT)method has attracted increasing attention in the field of online detection of high speed rotating blades due to its outstanding advantages since it was put forward.In virtue of the published literatures,the basic principle of the blade tip timing method was described.Both achievements obtained at home and abroad in recent years and research situations in this field were summarized.Several kinds of sensors based on BBT method and some new techniques for blade vibration parameters identification were introduced,analyzed and compared.Finally,research interests and difficulty in future study of this field were put forward.

Key words:vibration and wave;blade tip timing method(BTT);rotating blade;blade vibration;parameters identification;sensor