張 為，韓延琴，張 鑫

(1.甘肅東興鋁業(yè)有限公司隴西分公司，甘肅 隴西 748199； 2.蘭州鐵路局蘭州電務(wù)段，蘭州 730000)

小型風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

張 為1，韓延琴1，張 鑫2

(1.甘肅東興鋁業(yè)有限公司隴西分公司，甘肅 隴西 748199； 2.蘭州鐵路局蘭州電務(wù)段，蘭州 730000)

風(fēng)機(jī)葉片由于受到復(fù)雜荷載和各種突然因素的作用而極易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷;針對(duì)傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)效率較低、需要先驗(yàn)知識(shí)、精度不高的缺點(diǎn)，文中采用基于振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法辨識(shí)并比較研究葉片損傷前后結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，同時(shí)對(duì)損傷進(jìn)行定位;首先搭建小型風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集葉片損傷前后的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)；其次利用自互功率譜法辨別葉片損傷前后的模態(tài)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比其損傷前后固有頻率的變化；最后利用軸向振型差法對(duì)葉片損傷進(jìn)行定位;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，基于振動(dòng)的特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法能準(zhǔn)確辨別葉片損傷前后結(jié)構(gòu)特性的變化，風(fēng)機(jī)葉片各階固有頻率的下降能夠作為判斷其發(fā)生損傷的依據(jù)，軸向振型差法能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)損傷的定位。

風(fēng)機(jī)葉片；振動(dòng)檢測(cè)；自互功率譜法；損傷識(shí)別

0 引言

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部分，在長期的服役過程中，由于材料老化、疲勞、腐蝕以及長期在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，極易造成葉片的損傷累積及抗力衰減等問題，風(fēng)機(jī)葉片一旦損毀將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡。因此，針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確地判斷損傷的發(fā)生、位置和程度，對(duì)于風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

目前研究中經(jīng)常能采用的基于動(dòng)力測(cè)試的全局損傷檢測(cè)法主要是通過檢測(cè)整體結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)參數(shù)等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化，來判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的程度[3-4]。風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，其頻率、振型等模態(tài)參數(shù)也會(huì)隨著出現(xiàn)改變，基于風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的損傷識(shí)別方法就是通過風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信息分析其動(dòng)力特性的變化，實(shí)現(xiàn)其損傷的判斷與定位[5-6]。本文通過在實(shí)驗(yàn)室條件下檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)特征的變化來識(shí)別葉片結(jié)構(gòu)損傷，通過數(shù)據(jù)對(duì)比研究葉片出現(xiàn)裂紋損傷前后固有頻率等振動(dòng)特性的變化，并通過軸向振型差實(shí)現(xiàn)損傷的定位。

1 自互功率譜法

自互譜密度法是運(yùn)行模態(tài)分析中的一種簡單、方便的識(shí)別結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)參數(shù)的方法，是由峰值法改進(jìn)和發(fā)展而來[7]。求解思想是：結(jié)構(gòu)的自身振動(dòng)頻率將出現(xiàn)在其頻響函數(shù)曲線的峰值處，同時(shí)可以成為上述自振頻率的良好估計(jì)。對(duì)于由外界環(huán)境激勵(lì)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其激勵(lì)本身是未知的，因而并不能計(jì)算出它的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)，僅可以通過振動(dòng)在其參考點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)間的自互功率譜的幅值、相位、相干函數(shù)以及傳遞率等來識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

由激勵(lì)xi(ω)和響應(yīng)fk(ω)的關(guān)系可得頻響函數(shù)為：

在僅有響應(yīng)輸出時(shí)，可以將結(jié)構(gòu)上的某點(diǎn)作為參考點(diǎn)，將其響應(yīng)看作輸入，根據(jù)響應(yīng)點(diǎn)與參考點(diǎn)間所具備的線性相關(guān)性，建立它們的傳遞函數(shù)，根據(jù)求取的傳遞函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。取結(jié)構(gòu)上一點(diǎn)為固定點(diǎn)，則其傳遞率為：

(1)

由風(fēng)作用引起的地脈動(dòng)或者由自然界引起的脈動(dòng)激勵(lì)，均可看作為平質(zhì)譜，則滿足：

fk(ω)=f(ω)=C1

對(duì)于結(jié)構(gòu)的頻率點(diǎn)ωi，序列g(shù)i(ω)即為該頻率對(duì)應(yīng)的工作模態(tài)，結(jié)構(gòu)上任一位置的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)xi(ω)都能用k點(diǎn)的激勵(lì)力fk(ω)以及系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)hik(ω)來表示：

(2)

其中:C1是常數(shù)。

將式(2)代入式(1)得到：

(3)

其中:C2是常數(shù)。

由式(3)可知，直接讀取在wr處曲線gi(ω)的幅值及相位，就能夠得到結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)頻率下的工作振型，可將它近似看作結(jié)構(gòu)在第r階的振型。

采用自互譜密度法對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別的基本步驟如圖1所示。

圖1 自互功率譜法步驟框圖

2 風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有傳感器、激勵(lì)錘、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、玻璃鋼材料的小型風(fēng)機(jī)葉片(長1.5 m)、微型計(jì)算機(jī)等。布置實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，利用夾具把小型葉片的尾部固定，通過專用耦合劑將4個(gè)9818型壓電加速度傳感器依次粘在葉片表面，傳感器連接線另一端與DH5937振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，每一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)振動(dòng)測(cè)試儀的一個(gè)通道，計(jì)算機(jī)與DH5937振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連用以儲(chǔ)存和處理所采集的各種信號(hào)數(shù)據(jù)。葉片振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)拾振的方式來獲取同一激勵(lì)下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)[8]。通過力錘激勵(lì)的方式使小型葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，由傳感器來采集葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息。傳感器用來檢測(cè)待測(cè)信號(hào)，并對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為能夠被后面儀器讀取的電信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中采用的傳感器為9818型壓電加速度傳感器，其測(cè)量范圍為0.2～10 kHz。

葉片的振動(dòng)形式主要為揮舞和擺振[9]。因此，將4個(gè)加速度傳感器等距分布在葉片的表面，間距為20 cm，用于測(cè)量葉片在揮舞和擺振兩個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)情況如圖3所示，用首位編號(hào)1和2來分別表示揮舞和擺振方向的模態(tài)測(cè)點(diǎn)分布情況。

圖3 葉片模態(tài)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

將加速度傳感器采集到的信號(hào)傳遞給信號(hào)調(diào)理電路，由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行平移、放大等處理后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本文選用高性能采集系統(tǒng)DH5937數(shù)據(jù)采集儀來讀取葉片的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。采用自互功率譜法識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)參考點(diǎn)的選取尤為重要，應(yīng)當(dāng)選取測(cè)試到的各階頻率響應(yīng)比較大的傳感器作為參考點(diǎn)[10]，本文選取四號(hào)傳感器作為參考點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過力錘給葉片施加激勵(lì)使其發(fā)生自由振動(dòng)，通過DH5937數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到葉片振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，交給計(jì)算機(jī)上的專業(yè)軟件DHDAS進(jìn)行存儲(chǔ)、分析及顯示，然后經(jīng)過圖1所示的自互功率譜法各步驟求取風(fēng)機(jī)葉片的自振頻率和模態(tài)振型等結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。

3 風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)模態(tài)參數(shù)的辨識(shí)

3.1 完好葉片的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識(shí)

通過DH5937數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集葉片在瞬時(shí)激勵(lì)下4個(gè)通道的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)如圖4所示，采樣時(shí)設(shè)置的采樣頻率為500 Hz，分析頻率為195.31 Hz，分析點(diǎn)數(shù)為512。

圖4 葉片在瞬態(tài)激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域信號(hào)

對(duì)所采集到時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加窗、平均、重疊等預(yù)處理，以抑制噪聲信號(hào)的隨機(jī)干擾；預(yù)處理后通過FFT變換將信號(hào)轉(zhuǎn)化到頻域下，再通過自互功率譜法識(shí)別葉片結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。如圖5所示是各個(gè)加速度傳感器的自功率譜疊加圖，圖6為以第四通道為參考點(diǎn)，其他通道與第四通道之間的葉片在揮舞方向上的互功率譜疊加圖。

圖5 4個(gè)通道的自功率譜圖

圖6 各通道與第四通道間的互功率譜幅值疊加圖

由于互功率譜相比自功率譜而言，對(duì)毛刺等噪聲有一定的抑制作用[11]，因此，一般選用互功率譜幅值圖來對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行辨識(shí)，從圖6中可以粗略得到各峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為3.905 Hz、23.46 Hz、62.5 Hz、119.2 Hz和179.7 Hz。

為獲得葉片結(jié)構(gòu)的真實(shí)頻率，需要根據(jù)互功率譜所對(duì)應(yīng)的相位與相干函數(shù)對(duì)粗選頻率進(jìn)行判斷，從而剔除毛刺等虛假模態(tài)。在頻響函數(shù)理論中，如果結(jié)構(gòu)幅頻響應(yīng)圖峰值頻率處的互功率譜相位在0°或者±180°左右(上下波動(dòng)±30°)，同時(shí)在該峰值頻率處的相干函數(shù)值能夠達(dá)到0.95以上，則該峰值頻率即為結(jié)構(gòu)的真實(shí)固有頻率[12]?；スβ首V對(duì)應(yīng)的相位與相干函數(shù)如圖7所示。從圖7可以看出葉片互功率譜幅值圖中5個(gè)峰值頻率所對(duì)應(yīng)的互譜相位分別是180°，180°，180°，0°和-180°，且每個(gè)峰值頻率所對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)均大于0.95，這說明各個(gè)峰值頻率就是風(fēng)機(jī)葉片的各階固有頻率。用同樣的方法可辨識(shí)完好葉片在揮舞方向和擺振方向的各階固有頻率，如表1和表2所示。

圖7 互功率譜對(duì)應(yīng)的相位與相干函數(shù)圖

表1 葉片揮舞方向的頻率檢測(cè)結(jié)果 Hz

表2 葉片擺振方向的頻率檢測(cè)結(jié)果 Hz

由模態(tài)分析法可知，通過傳遞率在結(jié)構(gòu)固有頻率位置處的幅值可以得到振型的大小，該頻率處振型的方向可由互功率譜在對(duì)應(yīng)頻率位置的相位或傳遞率實(shí)部所對(duì)應(yīng)的符號(hào)來確定。在實(shí)際操作時(shí)，先歸一化處理各個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的振型幅值，然后通過曲線擬合的方法便可獲得小型葉片整體結(jié)構(gòu)的振型擬合曲線。一般來說，分析葉片振動(dòng)時(shí)只需前兩階振型即可，圖8和圖9為小型葉片在無損狀態(tài)下?lián)]舞方向上的第一、二階振型曲線擬合圖。

圖8 無損葉片一階揮舞方向振型擬合曲線 圖9 無損葉片二階揮舞方向振型擬合曲線

3.2 損傷葉片的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識(shí)

根據(jù)葉片在實(shí)際運(yùn)行中的裂紋損傷特點(diǎn)，本文實(shí)驗(yàn)采用在葉片距離葉根40%l(l為葉片長度)的位置處通過開裂紋的方式模擬結(jié)構(gòu)損傷，以不同的裂紋深度來模擬葉片的不同損傷程度[13]。損傷模擬以葉片裂紋的存在對(duì)其質(zhì)量分布沒有影響為前提進(jìn)行。葉片橫向裂紋損傷位置如圖10所示。

圖10 葉片橫向裂紋損傷位置示意圖

實(shí)驗(yàn)中模擬小型風(fēng)機(jī)葉片分別出現(xiàn)了損傷程度(h/D,D為葉片寬度,h為裂紋長度)為10.0%、15.0%的損傷。進(jìn)行含損傷葉片的振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)損傷葉片進(jìn)行模態(tài)分析，得到葉片損傷后的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如表3和表4所示。

表3 損傷后葉片揮舞方向的頻率檢測(cè)結(jié)果

表4 損傷后葉片擺振方向的頻率檢測(cè)結(jié)果

從表3和表4的葉片揮舞方向和擺陣方向的固有頻率檢測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)小型風(fēng)力機(jī)葉片受到損傷時(shí)，隨著損傷程度的增加，葉片在揮舞方向和擺陣方向的各階固有頻率均會(huì)降低，并且高階頻率的下降更加明顯。風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致各階固有頻率下降，各階固有頻率的下降能夠作為判斷風(fēng)機(jī)葉片是否發(fā)生損傷的依據(jù)指標(biāo)。

4 風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)損傷定位

本文通過軸向振型差變化率[14-15]對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷的方法主要是因?yàn)槿~片具有軸向空間結(jié)構(gòu)，所謂軸向空間結(jié)構(gòu)是指其軸向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他方向。結(jié)構(gòu)破損導(dǎo)致其局部剛度的改變以及模態(tài)振型在結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的變化。當(dāng)在結(jié)構(gòu)的某單元處出現(xiàn)損傷時(shí)，其軸向振型差變化率值在損傷位置處會(huì)發(fā)生大的變化，而其他未損傷單元變化不明顯。假設(shè)結(jié)構(gòu)在無損傷情況下的振型為Φij，i為振型的階次，j即振型的節(jié)點(diǎn)號(hào)，*表示損傷振型，則第i階軸向振型差變化率ηij定義為:

(4)

其中:j≥2。

根據(jù)上述計(jì)算得到的損傷前后小型葉片的固有頻率和振型，采用式(4)計(jì)算軸向振型差變化率對(duì)小型葉片的損傷進(jìn)行定位，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，裂紋所在位置與曲線峰值是相對(duì)應(yīng)的，即裂紋所在位置為峰值點(diǎn)處所代表的傳感器的區(qū)域附近。與圖10中模擬的葉片橫向裂紋的位置相符，從而證明了采用軸向振型差變化率法對(duì)葉片損傷進(jìn)行定位的可行性。

圖11 兩種損傷程度的一階軸向振型差變化率曲線截圖

5 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了小型風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用自互功率譜法辨識(shí)了葉片在損傷前后的頻率、振型等振動(dòng)特性，通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致各階固有頻率下降，各階固有頻率的下降能夠作為判斷風(fēng)機(jī)葉片是否發(fā)生損傷的依據(jù)指標(biāo)；同時(shí)利用軸向振型差法實(shí)現(xiàn)了葉片損傷的定位，裂紋所在位置與曲線峰值點(diǎn)處相吻合，也就是裂紋所在位置為峰值點(diǎn)所代表的傳感器的區(qū)域附近。

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SimulationResearchforDamageIdentificationofSmall-scaleWindTurbineBlade

ZhangWei1，HanYanqin1，ZhangXin2

(1.GansuDongxingAluminumIndustryCo.Ltd,Longxi748199,China;2.LanzhouRailwayBureau,Lanzhou730000,China)

Wind turbine blade is prone to be damaged because of suffered alternating load and other kinds of factors. Aiming at the shortcomings of the traditional nondestructive identification technology, a damage identification method is used to identify structural parameters of blade and compare the change before and after damaged. The localization of the structural damage of wind turbine blade is realized at the same time. Firstly, the wind turbine blade vibration identification experimental platform set up, the blade vibration response data is collected. Then the self-cross spectrum density method is used to identify model parameters of wind turbine blade before and after damaged. The change of natural frequency of the blade before and after damaged is compared by the experimental data. Finally axial mode difference method is used to fix a position on the blade damage. Experimental results show that the damage identification method can accurately identify the structural characteristics of the leaves before and after damaged. The decrease of the natural frequency of the wind turbine blade can be used as a basis for judging the occurrence of the damage, and axial mode difference method can accurately realize the location of damage.

wind turbine blade; vibration detection; self-cross spectrum density method; damage identification

2016-10-23；

2016-11-18。

張 為(1987-),男，甘肅定西人,大學(xué),助理工程師，主要從事機(jī)械故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)04-0240-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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