一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法及系统与流程

1.本发明涉及水泵叶轮裂纹技术领域，特别是涉及一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法及系统。


背景技术：

2.核电站在大修期间对辅助给水泵(以下简称asg泵)进行年检解体时发现泵侧二级叶轮存在裂纹现象，存在共性问题，而日常进行的常规参数测量和分析技术均难以检测出该缺陷特征。
3.对于运行中水泵叶轮裂纹的有效监测手段长久以来一直处于缺失状态，通过振动信号对叶轮裂纹的发生和发展进行有效监测，也是状态监测领域的行业性难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提出一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法及系统，解决如何通过振动信号对叶轮裂纹的发生和发展进行有效监测的技术问题。
5.一方面，提供一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法，包括：
6.通过预设的测量点测量所述水泵叶轮的振动信号；
7.识别所述水泵叶轮的振动信号中流量低于预设流量阈值的工况下的边频带幅值；
8.将所述边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较；其中，所述与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值表示相同工况下通过训练得到的所述水泵叶轮振动加速度包络谱中的bpf幅值；
9.当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比大于等于预设的阈值时，判定所述水泵叶轮存在裂纹。
10.优选地，通过以下步骤训练得到所述水泵叶轮对应的bpf幅值：
11.获取所述水泵实际结构尺寸参数，根据所述水泵实际结构尺寸参数建立对应的仿真模型；
12.通过该仿真模型模拟不同工况下的振动频谱特征，得到所述水泵叶轮在不同工况下的bpf幅值。
13.优选地，所述通过该仿真模型模拟不同工况下的振动频谱特征，具体包括：
14.模拟各流量工况下所述水泵叶轮上的压力分布，得到所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线，所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线表示泵流场激振规律、流体激振响应频率及谐波频率特点；
15.根据所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线计算各流量工况下的等效载荷幅值；
16.模拟不同叶轮裂纹尺寸情况下所述水泵内部压力脉动响应，得到所述水泵叶轮裂纹故障在不同裂纹长度的振动特性。
17.优选地，通过以下公式计算各流量工况下的等效载荷幅值：
[0018][0019]
其中，req表示等效载荷幅值；ri表示i区间雨流计数幅值；ni表示i区间雨流计数个数；n表示雨流计数区间个数；neq表示等效载荷循环次数；m表示流体激振响应曲线系数。
[0020]
优选地，所述将所述水泵叶轮的振动信号中的边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较，具体包括：
[0021]
确定所述水泵叶轮的振动信号采集时的工况参数；
[0022]
根据所述工况参数在所述水泵叶轮在不同工况下的的bpf幅值中识别对应工况下的所述水泵叶轮对应的bpf幅值；
[0023]
将所述水泵叶轮的振动信号中的边频带幅值与对应工况下的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较。
[0024]
优选地，还包括：
[0025]
当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比小于预设的阈值时，判定所述水泵叶轮不存在裂纹。
[0026]
优选地，所述测量点至少包括多个泵端轴承水平测点和多个泵壳轴向测点。
[0027]
优选地，所述预设的阈值为所述边频带幅值与所述bpf幅值之比等于40％。
[0028]
优选地，还包括：
[0029]
当所述水泵叶轮存在裂纹时，改进水泵叶轮的结构并建立对应的仿真模型，模拟流量低于预设流量阈值的工况下，改进后水泵叶轮的边频带幅值；
[0030]
将改进后水泵叶轮的边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较，直到改进后水泵叶轮的边频带幅值与所述bpf幅值之比小于预设的阈值为止。
[0031]
另一方面，还提供一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的系统，用以实现所述基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法，包括：
[0032]
信号采集模块，用以通过预设的测量点测量所述水泵叶轮的振动信号；
[0033]
信号处理模块，用以识别所述水泵叶轮的振动信号中流量低于预设流量阈值的工况下的边频带幅值；
[0034]
裂纹判断模块，用以将所述边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较；其中，所述与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值表示相同工况下通过训练得到的所述水泵叶轮振动加速度包络谱中的bpf幅值；
[0035]
当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比大于等于预设的阈值时，判定所述水泵叶轮存在裂纹。
[0036]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0037]
本发明提供的基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法及系统，使用包络谱中边频带幅值相对bpf幅值大小作为二级叶轮裂纹故障报警参数，进行二级叶轮裂纹故障报警。可提前识别并监测设备状态趋势变化，实现预防性可计划维修模式，避免泵组振动超标带来的设备损坏、停机检修和机组非计划停机、降功率风险，经济效益可观。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
[0039]
图1为本发明实施例中一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法的主流程示意图。
[0040]
图2为本发明实施例中测试点的示意图。
[0041]
图3为本发明实施例中测试点的示意图。
[0042]
图4为本发明实施例中叶轮流场流线图。
[0043]
图5为本发明实施例中叶轮流场流线图。
[0044]
图6为本发明实施例中叶轮流场流线图。
[0045]
图7为本发明实施例中叶轮流场流线图。
[0046]
图8为本发明实施例中裂纹流场模型示意图。
[0047]
图9为本发明实施例中不同裂纹长度下泵壳测点压力脉动包络谱。
[0048]
图10为本发明实施例中边频带幅值相对bpf幅值趋势图。
[0049]
图11为本发明实施例中一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的系统的示意图。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0051]
如图1所示，为本发明提供的一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述方法包括以下步骤：
[0052]
通过预设的测量点测量所述水泵叶轮的振动信号；所述测量点至少包括多个泵端轴承水平测点和多个泵壳轴向测点。也就是，根据振动信号传递最佳路径，即轴承座以及泵壳上最优测点，测量对应的振动信号。
[0053]
本实施例中，进行振动信号传递路径分析，分析振动信号传递最佳路径，确定轴承座以及泵壳上最优测点。以图2为例，边频带幅值测点1《测点2《测点3《测点4，测点6《测点5《测点4，故泵壳测点离出口管道越远，测点边频带幅值越大，泵壳测点应尽量远离出口管道。如图3所示，1h为泵端轴承水平测点，1v为泵端轴承垂直测点，3h为泵壳轴向测点，4h为泵壳径向测点，5h为泵壳径向测点；叶轮存在裂纹时，泵端轴承水平测点和泵壳轴向测点存在明显的故障特征，其他测点未出现明显故障特征。因此去除进出口管道测点和地脚测点，将测点数目进行精简，保留泵端轴承测点以和三处泵壳振动测点。
[0054]
进一步的，识别所述水泵叶轮的振动信号中流量低于预设流量阈值的工况下的边频带幅值；也就是，识别小流量工况下的边频带幅值，该小流量的确定标准是预设流量阈值，该阈值根据具体实际水泵的情况进行设置。
[0055]
进一步的，将所述边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较；其中，所述与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值表示相同工况下通过训练得到的所述水泵叶轮振动加速度包络谱中的bpf幅值；也就是，所述预设的阈值为所述边频带幅值与所述
bpf幅值之比等于40％，边频带幅值占比大于该值时判定存在裂纹。需要说明的是，所述预设的阈值为所述边频带幅值与所述bpf幅值之比等于40％并不是固定不变的，当水泵发生改变或具体的工况发生改变后，该值也随之改变，即该比值是根据具体工况进行设定的。
[0056]
本实施例中，通过以下步骤训练得到所述水泵叶轮对应的bpf幅值：获取所述水泵实际结构尺寸参数，根据所述水泵实际结构尺寸参数建立对应的仿真模型；通过该仿真模型模拟不同工况下的振动频谱特征，得到所述水泵叶轮在不同工况下的bpf幅值。其中，所述通过该仿真模型模拟不同工况下的振动频谱特征，具体包括：模拟各流量工况下所述水泵叶轮上的压力分布，得到所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线，所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线表示泵流场激振规律、流体激振响应频率及谐波频率特点；根据所述水泵叶轮所受到的流体激振响应曲线计算各流量工况下的等效载荷幅值；模拟不同叶轮裂纹尺寸情况下所述水泵内部压力脉动响应，得到所述水泵叶轮裂纹故障在不同裂纹长度的振动特性。
[0057]
具体判断的原理如下：首选需要确定水泵实际结构尺寸，建立三维模型，采用计算流体动力学方法对水泵内部流场进行计算，在不同流量工况下水泵二级叶轮上的压力分布，得到水泵内部二级叶轮所受到的流体激振响应曲线，分析泵流场激振规律、流体激振响应频率及谐波频率特点等。需要说明的是，本实施例中水泵指asg泵或asg气动泵。
[0058]
对比不同入口流量工况下的压力脉动，定义了表1所示多种工况参数的模型。流场分析选取k-epsilon模型作为湍流模型，k-epsilon模型是目前应用最广泛的工程湍流模型，该方法已经广泛地应用于流体机械内部的流场预测，在此不再赘述。
[0059]
表1流场分析工况表
[0060]
工况出口压力(mpa)流量(m3/h)转速(rpm)小流量12.627.68372112.448.28324212.194.68264全流量11.7128.28110
[0061]
得到不同工况下流场的流线如图4至图7所示，流线图表现了某一瞬间流体的运行状况。其中，图4为小流量流线图，图5为工况1流线图，图6为工况2流线图，图7为全流量流线图。
[0062]
采用雨流计数法对二级叶轮疲劳载荷进行分析，对全流量及小流量工况下的时域波形进行雨流计数，得到不同幅值范围的循环个数，具体地，通过以下公式计算各流量工况下的等效载荷幅值：
[0063][0064]
其中，req表示等效载荷幅值；ri表示i区间雨流计数幅值；ni表示i区间雨流计数个数；n表示雨流计数区间个数；neq表示等效载荷循环次数；m表示流体激振响应曲线系数。通过雨流计数法分析，在相同时间内，小流量工况对二级叶轮产生的疲劳损伤要大于全流量工况对二级叶轮产生的疲劳损伤，asg泵长期在小流量工况下工作会加速二级叶轮疲劳
损坏，导致二级叶轮提前开裂。
[0065]
立不同二级叶轮裂纹尺寸的asg泵二级流道模型，计算不同二级叶轮裂纹尺寸情况下asg泵内部压力脉动响应，得到asg泵二级叶轮裂纹故障在不同裂纹长度的振动响应特性，裂纹模拟参数如表2，裂纹模型如图8所示，不同裂纹长度下泵壳测点压力脉动包络谱如图9所示。
[0066]
表2裂纹模拟参数表
[0067][0068]
二级叶轮裂纹状态下靠近泵端的轴承测点bpf边频带幅值相对bpf幅值较大；二级叶轮裂纹状态下泵壳测点的加速度谱中1x幅值较大；二级叶轮裂纹状态下泵壳测点边频带幅值相对bpf幅值较大；二级叶轮有无裂纹对压力脉动的影响不明显。
[0069]
辅助给水泵二级叶轮存在裂纹时，泵端轴承水平测点的振动加速度包络谱中bpf左右均出现明显的宽度约为1x的边频带，且边频带幅值相对bpf幅值较大。因此，可使用包络谱中边频带幅值相对bpf幅值大小作为二级叶轮裂纹故障报警参数。如图10所示为泵端轴承水平测点的边频带幅值相对bpf幅值趋势图，二级叶轮存在裂纹时，边频带幅值相对bpf幅值均大于40％。设置包络谱中边频带幅值相对bpf幅值40％作为报警线，进行二级叶轮裂纹故障报警。
[0070]
进一步的，当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比大于等于预设的阈值时，判定所述水泵叶轮存在裂纹。当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比小于预设的阈值时，判定所述水泵叶轮不存在裂纹。
[0071]
本实施例中，确定所述水泵叶轮的振动信号采集时的工况参数；根据所述工况参数在所述水泵叶轮在不同工况下的bpf幅值中识别对应工况下的所述水泵叶轮对应的bpf幅值；将所述水泵叶轮的振动信号中的边频带幅值与对应工况下的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较。
[0072]
本实施例中，当所述水泵叶轮存在裂纹时，改进水泵叶轮的结构并建立对应的仿真模型，模拟流量低于预设流量阈值的工况下，改进后水泵叶轮的边频带幅值；将改进后水泵叶轮的边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较，直到改进后水泵叶轮的边频带幅值与所述bpf幅值之比小于预设的阈值为止。
[0073]
如图11，本发明还提供一种基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的系统，用以实现所述的方法，包括：
[0074]
信号采集模块，用以通过预设的测量点测量所述水泵叶轮的振动信号；
[0075]
信号处理模块，用以识别所述水泵叶轮的振动信号中流量低于预设流量阈值的工况下的边频带幅值；
[0076]
裂纹判断模块，用以将所述边频带幅值与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值进行比较；其中，所述与预设的所述水泵叶轮对应的bpf幅值表示相同工况下通过训练得到的所述水泵叶轮振动加速度包络谱中的bpf幅值；
[0077]
当所述边频带幅值与所述bpf幅值之比大于等于预设的阈值时，判定所述水泵叶
轮存在裂纹。
[0078]
需说明的是，上述实施例所述系统与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述系统未详述部分可以参阅上述实施例所述方法的内容得到，此处不再赘述。
[0079]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0080]
本发明提供的基于振动信号监测水泵叶轮裂纹的方法及系统，使用包络谱中边频带幅值相对bpf幅值大小作为二级叶轮裂纹故障报警参数，进行二级叶轮裂纹故障报警。可提前识别并监测设备状态趋势变化，实现预防性可计划维修模式，避免泵组振动超标带来的设备损坏、停机检修和机组非计划停机、降功率风险，经济效益可观。
[0081]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。