鐘 龍，張繼旺，張來斌，段禮祥

(1.中國石化銷售有限公司華南分公司，廣東廣州 510000；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；3.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

高速透平葉片是航空、艦船、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵部件[1]，在實(shí)際工作中承受極其復(fù)雜的激振力及高循環(huán)交變應(yīng)力的作用，容易導(dǎo)致高周疲勞失效，甚至出現(xiàn)裂紋、折斷等故障[2-4]，從而造成嚴(yán)重安全事故。因此對其進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測具有重要意義，也是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率的有效保障手段。自葉尖定時(shí)方法提出以來，因其能夠通過少量非接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)全旋轉(zhuǎn)周向葉片監(jiān)測且成本低廉，成為旋轉(zhuǎn)葉片振動監(jiān)測領(lǐng)域最有前景的監(jiān)測手段。

目前，葉尖定時(shí)測量技術(shù)主要基于電容式、光纖式及電渦流式3種。其中電容式傳感器容易受到葉片與傳感器之間的電介質(zhì)影響，通常應(yīng)用于恒定工況下的實(shí)驗(yàn)研究[5]；光纖式傳感器需要葉片及傳感器表面保持潔凈，而在長周期監(jiān)測過程中容易出現(xiàn)污染造成測量精度下降，因此更傾向于短周期的檢測[6]。與以上2種技術(shù)相比，電渦流傳感器技術(shù)更適用于長周期復(fù)雜工況下的機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測，受介質(zhì)、環(huán)境和工況的影響較小[7]。

傳統(tǒng)的基于葉尖定時(shí)的葉片振動測量系統(tǒng)中多采用脈沖信號的上升沿作為葉片的到達(dá)時(shí)刻，沒有考慮葉尖間隙變化所帶來的影響，導(dǎo)致葉片振動測量結(jié)果中引入了很大的測量誤差。為此，研究人員相繼提出了恒比定時(shí)、高通容阻及雙閾值前沿時(shí)刻鑒別等方法[8]，來提高時(shí)刻鑒別精度，減少間隙變化引入的誤差。但是恒比定時(shí)時(shí)刻鑒別[9]會受到噪聲和波形畸變的影響；高通容阻時(shí)刻鑒別對于零點(diǎn)時(shí)刻的鑒別較為困難；而雙閾值前沿時(shí)刻鑒別[10]會引入了新誤差。因此，綜合考慮葉片掃過電渦流傳感器時(shí)的脈沖信號特點(diǎn)，本文提出了一種提高葉尖定時(shí)系統(tǒng)精度的方法，最大限度地減小了葉片旋轉(zhuǎn)過程中葉尖間隙變化造成的影響，最后通過實(shí)驗(yàn)證明了此方案在提高系統(tǒng)精度方面的有效性。

1 葉尖定時(shí)測量法的基本原理

葉尖定時(shí)法是一種非接觸式的葉片振動測量技術(shù)，是一種數(shù)字化的間斷相位法，其本質(zhì)是通過記錄旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過靜止安裝在機(jī)殼上的傳感器的時(shí)間間隔并將之轉(zhuǎn)化為振動位移來實(shí)現(xiàn)葉片振動的測量[11]。葉尖定時(shí)測振技術(shù)的基本原理是將一個或多個葉尖定時(shí)傳感器S沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對靜止的殼體上，利用傳感器來記錄旋轉(zhuǎn)葉片經(jīng)過時(shí)所產(chǎn)生的脈沖信號[12-13]，在葉片發(fā)生振動時(shí)，葉片的端部在圓周方向相對于平衡位置將會向前或向后偏離,引起脈沖到達(dá)時(shí)間的改變，從而使得葉片每次到達(dá)傳感器的實(shí)際時(shí)間t與假設(shè)葉片無振動時(shí)到達(dá)傳感器的時(shí)間不相等，即脈沖實(shí)際到達(dá)時(shí)間t會隨著葉片的振動發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個時(shí)間差Δt，通過不同的分析算法對該時(shí)間差序列{Δt}進(jìn)行處理，即可得到葉片的振動信息[14-15]。具體測試原理如圖1所示，其中S表示葉尖定時(shí)傳感器，SZ表示轉(zhuǎn)速同步傳感器，SA表示葉根同步傳感器，每個脈沖信號的上升沿代表一個葉片到達(dá)傳感器的時(shí)刻。設(shè)葉片實(shí)際到達(dá)時(shí)刻與理論到達(dá)葉片的到達(dá)時(shí)刻的差值為Δt，轉(zhuǎn)速為Ω，則可得葉片的振動位移為

y=Ω·Δt

(1)

圖1 基于葉尖定時(shí)葉片振動測量系統(tǒng)原理示意圖

在實(shí)際測量中，葉片經(jīng)過電渦流傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號不是規(guī)則的矩形脈沖，脈沖上升沿是一個光滑漸變的上升過程，上升沿斜率與葉片經(jīng)過速度相關(guān)，圖2是對葉片經(jīng)過電渦流傳感器時(shí)的響應(yīng)進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，為了使響應(yīng)曲線具有良好的光滑性，采用傅里葉算法進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖2 葉片通過傳感器時(shí)靜態(tài)標(biāo)定示意圖

圖3 靜態(tài)標(biāo)定傅里葉擬合曲線

2 測量誤差分析及修正方法

2.1 誤差分析

葉尖定時(shí)時(shí)刻鑒別的準(zhǔn)確性將直接影響葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度，傳統(tǒng)葉片振動測量方法，通過與某一閾值的切割電平的比較，取脈沖信號的上升沿作為葉片到達(dá)傳感器的時(shí)刻，再與無振動時(shí)的葉片到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行對比，即可求得葉片振動幅值。但該方法的精度極易受到葉尖間隙的影響，給后期處理結(jié)果帶來很大誤差。由圖3可知，葉片經(jīng)過電渦流傳感器時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號不是規(guī)則的矩形脈沖，需要經(jīng)過方波整形處理來確定脈沖的上升沿時(shí)刻。傳統(tǒng)的將傳感器輸出的原始信號與切割電平比較獲得脈沖上升沿的方法，在葉尖間隙發(fā)生變化時(shí)，電渦流傳感器接收到葉片切割磁感線反饋信號強(qiáng)度隨之發(fā)生變化，脈沖響應(yīng)的上升沿和下降沿相應(yīng)地發(fā)生向前或向后的偏移，導(dǎo)致在葉片振動幅值測量結(jié)果中引入了測量誤差。如圖4 所示，葉片1距離傳感器距離為d2，葉片2距離傳感器距離為d1，其中虛線代表葉片2經(jīng)過傳感器時(shí)的響應(yīng)，實(shí)線代表葉片1經(jīng)過傳感器時(shí)的響應(yīng)。由圖4可見，傳統(tǒng)的葉尖定時(shí)法選用某一固定的閾值作為脈沖上升沿進(jìn)行定時(shí)，隨葉尖間隙的變化會引入Δt1的測量誤差。近年來國內(nèi)也有文獻(xiàn)提出使用脈沖中間時(shí)刻定時(shí)方法[16]，以達(dá)到減少葉尖間隙對葉尖定時(shí)信號的影響，但該方法未考慮葉片振動相位對測量結(jié)果的影響，同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中葉片前后邊緣往往不平行，會導(dǎo)致引入新的測量誤差。

圖4 葉尖間隙引起的振動位移測量誤差

則由葉尖間隙變化引入的振動位移誤差為

d=Ω·Δt1

(2)

式中Δt1為因葉尖間隙變化而引起的定時(shí)誤差。

2.2 改進(jìn)方法

電渦流傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，由前置器輸送高頻振蕩電流進(jìn)入電渦流探頭線圈，在傳感器線圈中產(chǎn)生一個高頻交變磁場，當(dāng)被測導(dǎo)體進(jìn)入交變磁場，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，會產(chǎn)生一個與原磁場相反的交變磁場，使得傳感器中高頻振蕩電流的幅值、相位發(fā)生改變。因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電壓幅值U的變化。由于電渦流傳感器在有效測試范圍內(nèi)一般保持良好的線性特性，那么在傳感器線性測量范圍內(nèi)葉尖間隙的變化也將與脈沖響應(yīng)高度間成線性關(guān)系，只需在葉尖定時(shí)測量過程中耦合葉尖間隙信息，對因葉尖間隙變化引起的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，即可得到準(zhǔn)確的葉片振動信息?；诖耍疚奶岢鋈~尖定時(shí)補(bǔ)償法進(jìn)行葉片振動位移測量，減少葉尖間隙對葉尖定時(shí)信號的影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

利用高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺對該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)如圖5所示。該風(fēng)機(jī)共有8個葉片，葉片直徑為488 mm，葉片高度為175 mm，電渦流傳感器安裝在機(jī)殼上，葉尖距傳感器距離可通過螺紋調(diào)節(jié)，所使用電渦流傳感器探頭為本特利高性能位移傳感器，探頭直徑為5 mm，線性測試范圍為0.2～2.3 mm，輸出分辨率為-7.87 V/mm，頻響為10 kHz。采用螺旋測微儀進(jìn)行間隙值調(diào)節(jié)，設(shè)定葉尖間隙值( 傳感器到齒的距離)范圍在0.5～2.5 mm，同時(shí)為確保葉尖間隙測量系統(tǒng)免受損傷，安裝的傳感器須與機(jī)匣襯套平行，要求測量精度達(dá)μm級。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用1.5 mm葉尖間隙作為基準(zhǔn)進(jìn)行對比，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，為了保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，取10次實(shí)驗(yàn)均值作為某一間隙下的振動幅值。為了增加葉片振動幅值，采用固定的吹風(fēng)機(jī)以恒定的角度和風(fēng)速對旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行擾動，使其發(fā)生強(qiáng)迫振動，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中誤差是以1.5 mm葉尖間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 葉尖間隙與葉尖定時(shí)時(shí)刻間關(guān)系

圖7 葉尖定時(shí)信號

由圖6可以看出，在傳感器線性測量范圍內(nèi)，隨葉尖間隙的增加，誤差線性減少，說明只要對所測葉片進(jìn)行標(biāo)定，求得葉尖間隙與測量誤差間的關(guān)系，即可對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償從而消除測量誤差，得到準(zhǔn)確的葉片振動幅值。

最后以本文實(shí)驗(yàn)臺風(fēng)機(jī)的目標(biāo)葉片為例，對不同葉尖間隙情況下的葉片振動進(jìn)行了測量，并以1.5 mm葉尖間隙為基準(zhǔn)進(jìn)行了測試，圖7為1組部分葉尖定時(shí)信號，共進(jìn)行了11組測試，每次測試3次，取分機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的葉片振動值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)方法與改進(jìn)后相對誤差對比

由圖8可以看出，在利用改進(jìn)后的方法對葉尖定時(shí)時(shí)刻進(jìn)行補(bǔ)償后，與傳統(tǒng)方法相比，相對誤差明顯減小，并且對葉尖間隙變化不再敏感，由此可以看出本文所提出方法能有效地減少葉尖間隙對葉片振動位移誤差的影響，提高了葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度。

3 結(jié)束語

本文在對基于電渦流傳感器的葉尖定時(shí)系統(tǒng)測量誤差分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在因葉尖間隙變化而引起加大的測量誤差這一技術(shù)缺陷。論文通過研究電渦流響應(yīng)脈沖幅值與定時(shí)時(shí)刻差值之間的關(guān)系，提出了一種減小葉尖間隙變化對葉尖定時(shí)系統(tǒng)精度的影響的方法。該方法在采用脈沖信號上升沿作為葉片到來時(shí)刻的基礎(chǔ)上耦合了脈沖幅值這一信息，對因葉尖間隙變化導(dǎo)致的測量誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，從而提高了葉尖定時(shí)系統(tǒng)的精度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。