基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法及识别系统与流程

1.本发明涉及裂纹故障识别方法技术领域，具体涉及基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法及识别系统。


背景技术：

2.航空发动机在运行过程中，由于转子长期在高转速、高温、扭矩作用下工作，转轴可能出现裂纹，尤其是转轴存在刀痕、金属夹杂等缺陷时会增大裂纹出现的可能性。转轴的强度对整个发动机和飞机的安全性非常重要。一旦转子转轴出现裂纹，发动机就处于危险状态中，转轴的裂纹可能会加速扩展，并导致转轴断裂，产生严重后果。因此转子转轴裂纹的识别对保障发动机的安全至关重要。
3.传统的基于结构振动进行裂纹识别问题的研究虽然已经发展了很多方法，但是由于实际工程复杂性及不确定性，使得这些方法在应用于航空发动机转子径向裂纹故障识别上存在困难。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供了基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法及识别系统，本发明提供的方法与系统可有效地识别转子径向裂纹故障，及时发现转子裂纹的早期征兆，从而为相应故障的排除提供依据，提高发动机的安全性，克服了现有技术的缺陷。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法，包括：
6.s1：对转子进行至少nc次振动测试，获取每次的振动信号，且对每次的振动信号进行频谱分析，根据每次的频谱分析结果获得测量值f1、f2、u1、u2、u3，进而获得计算值rc、r1、r2、r3，并根据前nc次的计算值rc、r1、r2、r3得到参考值rca、r1a、r2a、r3a；
7.其中，rc为一阶振动的临界转速f1和二阶振动的临界转速f2的比值，r1为一阶临界转速的变化率，r2为1倍频振动幅值u1与2倍频振动幅值u2的比值，r3为1倍频振动幅值u1与3倍频振动幅值u3的比值，rca为前nc次测试中的rc的平均值，r1a为前nc次测试的r1的平均值，r2a为前nc次测试的r2的平均值，r3a为前nc次测试的r3的平均值；
8.s2：对转子进行第nc m次振动测试，获取当前的振动信号，且对当前的振动信号进行频谱分析，根据当前的频谱分析结果获取当前的rc、r1、r2、r3；
9.s3：根据参考值rca与当前的rc得到当前的故障指标kc，kc＝|rc-rca|/rc；
10.根据参考值r1a、r2a、r3a与当前的r1、r2、r3得到当前的裂纹指标，裂纹指标包括第一指标与第二指标，所述第一指标为r1《r1a，所述第二指标为r2》r2a或r3》r3a；
11.s4：根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型，根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型。
12.作为本发明的一种优选方式，根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型包括：
13.若当前测试前未获得故障类型，则将当前的故障指标kc与e1进行比对，若kc《e1，
则判断当前的故障类型为无故障；其中，所述e1的取值范围为0.02～0.08；
14.若当前测试前已获得故障类型，则根据当前测试前的故障类型与当前故障指标kc判断当前的故障类型。
15.作为本发明的一种优选方式，根据当前测试前的故障类型与当前故障指标kc判断当前的故障类型包括：
16.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为无故障的结果，且当前的故障指标kc》e1，则将当前的rc与e2进行比对，若|rc-1|《e2，则判断当前的故障类型为一级故障；其中，所述e2的取值范围为0.02～0.05；
17.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为一级故障的结果，则将当前的故障指标kc与e3、e4进行比对，若|rc-1|》e3且|rc-1|《e4，则判断当前的故障类型为二级故障，其中，所述e3的取值范围为0.06～0.10，所述e4的取值范围为0.15～0.20；
18.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为二级故障的结果，则将当前的rc与e4进行比对，若|rc-1|》e4，则判断当前的故障类型为三级故障。
19.作为本发明的一种优选方式，根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型包括：
20.若当前的故障类型为无故障，则判断裂纹类型为无裂纹；
21.若当前的故障类型为一级故障，则判断裂纹类型为一级裂纹；
22.若当前的故障类型为二级故障或三级故障，且第一指标与第二指标中有任一成立，则判断裂纹类型为二级裂纹；
23.若当前的故障类型为二级故障或三级故障，且第一指标与第二指标同时成立，则判断裂纹类型为三级裂纹。
24.作为本发明的一种优选方式，rc＝f2/f1，f1与f2自频谱分析结果中获得。
25.作为本发明的一种优选方式，r1＝f1/fa，fa为一阶振动的临界转速f1的平均值。
26.作为本发明的一种优选方式，r2＝u2/u1，u1、u2自频谱分析结果中获得。
27.作为本发明的一种优选方式，r3＝u3/u1，u3自频谱分析结果中获得。
28.作为本发明的一种优选方式，nc不小于10。
29.基于振动信号的转子径向裂纹故障识别系统，使用上述任一项所述的基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法，包括：
30.振动测试模块，用于对转子进行若干次振动测试，所述若干次振动测试包括历史振动测试与当前振动测试；
31.频谱分析模块，与振动测试模块连接，用于获取振动测试得到的振动信号，且对振动信号进行频谱分析；
32.数据处理模块，与所述频谱分析模块连接，获取频谱分析结果，得到测量值，根据测量值得到计算值，根据历史振动测试的计算值得到参考值；
33.故障判断模块，与所述数据处理模块连接，根据当前振动测试的计算值与参考值得到当前的故障指标与裂纹指标，并根据当前的故障指标判断当前的故障类型，根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型。
34.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
35.本发明所述的基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法及识别系统，通过故障
指标与裂纹指标可有效识别转子径向裂纹故障，及时发现转子裂纹的早期征兆，从而为相应故障的排除提供依据，提高发动机的安全性。
附图说明
36.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
37.图1是本发明基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法的流程图。
38.图2是本发明的转子径向裂纹示意图。
39.图3是本发明的转子径向裂纹截面示意图。
40.图4是本发明的转子径向裂纹形成前的单峰频谱示意图。
41.图5是本发明的转子径向裂纹形成后的双峰频谱示意图。
42.图6是本发明的转子的倍频分量增加的频谱示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
45.实施例一
46.参照图1～6所示，本发明基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法，包括：
47.参考附图2所示为转轴径向裂纹示意图，参考附图3所示为裂纹截面示意图，当航空发动机的转子转轴上具有这种裂纹时，好比有一条很窄的横向细槽，当转子旋转时，裂纹会产生开合，则裂纹附近的刚度会产生忽大忽小的变化，其振动频率也跟随发生变化。
48.参考附图3所示，由于裂纹的出现，转子在y方向尺寸减小，因而刚度变小，其最低临界转速也将随之降低。
49.新加工的转子转轴一般不存在裂纹，或裂纹很小其影响可以忽略，即参考附图3所示，其裂纹深度h接近0。无裂纹时，转子转轴在该处的刚度是各向同性的，参考附图4所示，无裂纹时振幅是一个单峰，并且杂波较小。
50.当裂纹深度h大于0并逐渐增大时，裂纹处转子转轴是刚度各向异性随之出现并增大。参考附图5所示，原本附图4的单峰逐步分解出两个波，存在两个峰。当裂纹进一步发展时，甚至会存在3个峰并逐步分开，也就是说除一阶振动外尚有二阶振动和三阶振动出现。刚开始时，这几阶频率比较接近，随后差距加大。此外，参考附图6所示，2倍频(即2倍转速频率)、3倍频(即3倍转速频率)分量也随之增加，其中，x即为倍频。
51.振动信号中包含较丰富的信息。一种振动故障可能体现一种或多种振动特征，因此可针对所体现的一种或多种振动特征来判断转子故障。
52.参考附图1所示，判断转子是否存故障以及判断裂纹存在的几率的步骤如下：
53.s1：对转子进行至少nc次振动测试，获取每次的振动信号，且对每次的振动信号进
行频谱分析，根据每次的频谱分析结果获得测量值f1、f2、u1、u2、u3，进而获得计算值rc、r1、r2、r3，并根据前nc次的计算值rc、r1、r2、r3得到参考值rca、r1a、r2a、r3a。
54.其中，rc为一阶振动的临界转速f1和二阶振动的临界转速f2的比值，rc＝f2/f1，f1与f2自频谱分析结果中获得。r1为一阶临界转速的变化率，r1＝f1/fa，fa为一阶振动的临界转速f1的平均值。r2为1倍频振动幅值u1与2倍频振动幅值u2的比值，r2＝u2/u1，u1、u2自频谱分析结果中获得。r3为1倍频振动幅值u1与3倍频振动幅值u3的比值，r3＝u3/u1，u3自频谱分析结果中获得。rca为前nc次测试中的rc的平均值。r1a为前nc次测试的r1的平均值。r2a为前nc次测试的r2的平均值，r3a为前nc次测试的r3的平均值。nc为测试次数，nc不小于10，优选为10。
55.s2：对转子进行第nc m次振动测试，获取当前的振动信号，且对当前的振动信号进行频谱分析，根据当前的频谱分析结果获取当前的rc、r1、r2、r3。其中，m为正整数。
56.s3：根据参考值rca与当前的rc得到当前的故障指标kc，kc＝|rc-rca|/rc。
57.根据参考值r1a、r2a、r3a与当前的r1、r2、r3得到当前的裂纹指标，裂纹指标包括第一指标与第二指标，所述第一指标为r1《r1a，所述第二指标为r2》r2a或r3》r3a。
58.s4：根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型，根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型。
59.具体的，在步骤s1中，对被测转子进行不少于nc次的测试，并根据nc次测试得到的数据得到各个参考值rca、r1a、r2a、r3a。
60.其中使用的频谱分析是采用本领域现有的频谱分析技术，通过现有技术的频谱分析获取需要的一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值u2、3倍频振动幅值u3。
61.在步骤s2中，在第nc次测试后，再次被测转子进行测试即第nc m次测试，获取第nc m次测试即当前测试得到的一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值u2、3倍频振动幅值u3，并根据当次的测量值计算得到当次的rc、r1、r2、r3。
62.rc可用于判断裂纹存在的可能性。对振动信号进行频谱分析，频率最低者为一阶振动的临界转速f1，其次为二阶振动的临界转速f2，参考附图4、6可知，当转子未出现裂纹时是单峰没有出现分叉，意味着rc远大于1。参考附图5可知，当出现裂纹时单峰分叉为多峰(2峰或3峰)，意味着rc比较接近于1。对历史数据进行分析，如果开始rc较大(单峰未分叉)后来出现rc接近于1(分叉)的情况时，可初步判断出现了裂纹。如果随后rc又逐渐增大，则出现裂纹可能性增大。
63.r1可用于判断转子裂纹故障。由前述可知，裂纹出现使y方向尺寸减小，导致一阶振动临界转速降低。设转子前nc(例如nc＝10)次运行获得的一阶振动临界转速均值为fa并设为一阶振动临界转速参考值，当前一阶振动临界转速为f1，则可得到r1，如果r1变小，则可能出现了转子裂纹故障。
64.r2、r3可用于判断故障发生。针对r2及r3，对振动信号进行频谱分析，搜索各峰值并与转速频率对比获得1倍频幅值u1、2倍幅值u2和3倍频幅值u3，通过计算得到r2、r3。2倍频和3倍频分量的增加也是转子裂纹的故障特征，故而r2、r3这两个比值可用于判断故障发生的指标。
65.在步骤s3中，对当前测试获得的计算值rc、r1、r2、r3与前nc次测试获得的参考值rca、r1a、r2a、r3a结合得到当前的故障指标kc与当前的裂纹指标。
66.在步骤s4中，先根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型，再根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型，即获得故障类型与裂纹类型两个结果。所述故障类型用于指向所述转子当次测试是否存在故障以及故障的程度，所述裂纹类型用于指向所述转子当次测试是否存在裂纹以及裂纹的程度。
67.在步骤s4中提及的根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型，具体包括：
68.若当前测试前未获得故障类型，则将当前的故障指标kc与e1进行比对，若kc《e1，则判断当前的故障类型为无故障。其中，e1为小于1的正数。所述e1的取值范围为0.02～0.08，最优的取值为e1＝0.03。
69.若当前测试前已获得故障类型，则根据当前测试前的故障类型与当前故障指标kc判断当前的故障类型。
70.上述提及的根据当前测试前的故障类型与当前故障指标kc判断当前的故障类型，具体包括：
71.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为无故障的结果，且当前的故障指标kc》e1，则将当前的rc与e2进行比对，若|rc-1|《e2，则判断当前的故障类型为一级故障。其中，e2《e1。所述e2的取值范围为0.02～0.05，最优的取值为e2＝0.025。
72.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为一级故障的结果，则将当前的故障指标kc与e3、e4进行比对，若|rc-1|》e3且|rc-1|《e4，则判断当前的故障类型为二级故障。所述e3的取值范围为0.06～0.10，最优的取值为e3＝0.08。所述e4的取值范围为0.15～0.20，最优的取值为e4＝0.18。
73.若在当前的测试前的振动测试中已获得故障类型为二级故障的结果，则将当前的rc与e4进行比对，若|rc-1|》e4，则判断当前的故障类型为三级故障。
74.具体的，故障类型包括无故障、一级故障、二级故障、三级故障四个级别。无故障即无裂纹故障。一级故障即轻度故障。二级故障即中度故障。三级故障即重度故障。转子进行初始的振动测试时，故障类型均为无故障。
75.若在nc m次测试前的振动测试未获得故障类型，则直接将当次的故障指标kc与e1进行比对。
76.若在nc m次测试前的振动测试已获得具体的故障类型，则根据第nc m次测试前的振动测试获得的历史故障类型以及当次的故障指标kc判断当次的故障类型。若第nc m次测试前的振动测试获得多个历史故障类型，则根据最后一次获得的故障类型对当次的故障类型进行判断。
77.在步骤s4中提及的根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型，具体包括：
78.若当前的故障类型为无故障，则判断裂纹类型为无裂纹。
79.若当前的故障类型为一级故障，则判断裂纹类型为一级裂纹。
80.若当前的故障类型为二级故障或三级故障，且第一指标与第二指标中有任一成立，则判断裂纹类型为二级裂纹。
81.若当前的故障类型为二级故障或三级故障，且第一指标与第二指标同时成立，则
判断裂纹类型为三级裂纹。
82.具体的，裂纹类型包括无裂纹、一级裂纹、二级裂纹、三级裂纹四个级别。无裂纹即裂纹几率基本为0。一级裂纹即裂纹几率较大。二级裂纹即裂纹几率大。三级裂纹即裂纹几率很大。
83.当次的裂纹类型以当次的故障类型为基础进行判断。
84.若当次的故障类型为无故障，则裂纹类型可直接判定为无裂纹。
85.若当次的故障类型为一级故障，则裂纹类型可直接判定为一级裂纹。
86.若当次的故障类型为二级故障与三级故障中任一，则进一步根据当次的裂纹指标进行具体判断。若第一指标与第二指标中有任一成立，即r1《r1a成立，或r2》r2a与r3》r3a中有任一成立，则判断裂纹类型为二级裂纹。若第一指标与第二指标同时成立，即r1《r1a与r2》r2a成立，或r1《r1a与r3》r3a成立，则判断裂纹类型为三级裂纹。
87.实施例二
88.基于振动信号的转子径向裂纹故障识别系统的实施例，使用上述任一项所述的基于振动信号的转子径向裂纹故障识别方法，包括：
89.振动测试模块，用于对转子进行若干次振动测试，所述若干次振动测试包括历史振动测试与当前振动测试。所述历史振动测试即前nc次测试。
90.频谱分析模块，与振动测试模块连接，用于获取振动测试得到的振动信号，且对振动信号进行频谱分析。
91.数据处理模块，与所述频谱分析模块连接，获取频谱分析结果，得到测量值，根据测量值得到计算值，根据历史振动测试的计算值得到参考值。
92.故障判断模块，与所述数据处理模块连接，根据当前振动测试的计算值与参考值得到当前的故障指标与裂纹指标，并根据当前的故障指标判断当前的故障类型，根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型。
93.具体的，所述振动测试模块采用现有的振动测试装置对转子进行测试，以获得振动信号。
94.所述频谱分析模块采用现有的频谱分析装置与频谱分析技术对转子的振动信号进行分析，得到频谱分析结果，并将频谱分析结果向后续的数据处理模块输出。
95.所述数据处理模块可为计算机，用于对频谱分析结果进行处理，并根据各项数据对故障类型与裂纹类型进行判断。
96.在获取参考值时，所述振动测试模块对转子进行至少nc次测试，所述频谱分析模块根据每一次的测试的振动信号进行频谱分析，并输出频谱分析结果，即nc次测试中每一次测试得到的测量值一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值u2、3倍频振动幅值u3。
97.所述数据处理模块根据nc次测试中每一次测试得到的测量值一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值u2、3倍频振动幅值u3，获得每一次测试对应的计算值rc、r1、r2、r3，进一步得到参考值rca、r1a、r2a、r3a。
98.在对转子进行裂纹测试时，所述振动测试模块对转子进行振动测试，所述频谱分析模块当次测试的振动信号进行频谱分析，并输出当次的频谱分析结果，即当次得到的测量值一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值
u2、3倍频振动幅值u3。
99.所述数据处理模块根据当次测试得到的测量值一阶振动的临界转速f1、二阶振动的临界转速f2、1倍频振动幅值u1、2倍频振动幅值u2、3倍频振动幅值u3，获得当次测试的计算值rc、r1、r2、r3。
100.在对裂纹测试结果进行分析时，所述数据处理模块根据当次测试的计算值rc、r1、r2、r3与前nc次测试获得的参考值rca、r1a、r2a、r3a结合得到当前的故障指标kc与当前的裂纹指标。所述数据处理模块进一步根据当前的故障指标kc判断当前的故障类型，再根据当前的故障类型与当前的裂纹指标判断当前的裂纹类型。
101.作为优选，所述数据处理模块将故障类型的标识设为id，id＝0表示无故障，id＝1表示一级故障，id＝2表示二级故障，id＝3表示三级故障。id初值为0。
102.所述数据处理模块将裂纹类型的标识设为jd，jd＝0表示无裂纹，jd＝1表示一级裂纹，jd＝2表示二级裂纹，jd＝3表示三级裂纹。jd初值为0。
103.当所述数据处理模块判断结束后，输出id与jd的值，即可获得转子的裂纹信息。
104.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
105.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
106.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
107.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
108.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。