叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断.pdf

第3 1 卷第2 期振动、测试与诊断v 0 1 3】N。22 0 1 1 年4 月J o u r n a lo fV i b r a t i o n，M e a s u r e m e n t&D i a g n o s i sA p r 2 0 1 1叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断徐玉秀1 2，王志强h 2，梅元颖h 2(。天津工业大学机械电子学院天津3 0 0 1 6 0)(2 天津市现代机电装备技术重点实验室天津3 0 0 1 6 0)摘要为有效地从风力发电机组的振动响应中获得反映叶片响应的动态特征，将其作为叶片运行状态分析的特征量依此达到对风力机叶片故障的检测与诊断识别。应用有限元分析方法，建立了3 0 0W 风力发电机组的动力学模型，通过计算与试验模态分析，分别获得整机组的固有频率和振型。并比较验证了试验模型的合理性。用锤击法测得叶片正常状态和偏心故障下的振动加速度响应信号应用非线性动力系统的长度分形维数理论。计算其长度分形维数，并将其作为叶片偏心故障诊断识别的特征量。研究结果表明，该方法能有效识别风力机叶片正常状态和偏心故障状态，及其偏心位置和偏心量大小关键词风力机组动态响应特性故障诊断长度分形中图分类号T B 5 30 2 3 2引言风力机叶片是风力发电机组最关键的部件之一，其在整机组上的动力学特性和单叶片的动力学特性大有不同。因此，对叶片进行损伤检测与故障诊断预警十分必要 1 。随着风力机组的大型化、海洋化，使叶片的振动信号包含着各种激励与干扰 2 】。若能有效从机组的振动信号中提取反应叶片正常状态与故障状态的动力学参数 4 巧，作为叶片损伤检测与故障识别的特征量，就可对叶片的损伤故障进行诊断识别和预警。本文以3 0 0W 小型风力发电机组为例，通过有限元和模态试验分析，验证机组动态试验模型的准确性，获得风力机组的固有频率和振型。通过锤击法测得风力机叶片的振动加速度响应信号。应用非线性动力系统长度分形维理论，计算叶片正常状态和故障状态的响应长度分形维数，依据长度分形维数的变化分析叶片偏心位置和偏心量大小，将其作为叶片损伤检测与故障识别的特征量。和表2 2 1，得到风力机组的固有频率见表3。从表3 的数值可知，其有限元计算与试验结果比较吻合，验证了试验模型的合理性。2 长度分形理论及应用分形理论常用于非线性动力系统计算振动波形的各种分形维数，用其作为特征参量对系统进行定量刻画，对系统的内在特性进行分析。在此基础上，长度分形维数D(1 e n g t hf r a c t a ld i m e n s i o n)针对波形的前向性特点，采用超立方体作为基本覆盖单元，以H a u s d o r f f 维和分配维作为理论前提，是一种物理概念明确、简单易行的非线性动力系统振动波形分形维计算方法 6】。大量的工程实例表明，基于长度分形维能够对非线性动力系统进行状态空间检测，且噪声免疫力强，缺陷识别精度较高，可以作为非线性动力系统的有效特征量 7 。2 1 长度分形的理论计算设一非线性动力系统振动波形采样A=口I 口；1风力发电机组动态计算与试验(珀y j)，净1，2，其中：矗为时间采样点；弘为相应的振动幅值；为样本点数。将集合A 按式运用有限元法，对风力发电机组进行有限元动(1)和式(2)进行拓扑映射，则A M，肘=61 6=力学建模和模态测试，其几何与材料性能参数见表1(X，。，K)，i=1，2，为一单位平面的子集。衰l3 W 小型直驱风力机几何参数m天津市应用基础及前沿重点资助项目(编号：0 9 J C Z D J C 2 4 3 0 0)收稿日期：2 0 0 9 1 0 1 9；修改稿收到日期：2 0 l O 0 1 2 0万方数据*2 期镕I 秀，等：*动自度H#m#*H 目口目$2#m i#*#t n 参数!篓篓篓篁坐兰，Rg6 E 91 75 E 925 E 7O l419 5 0#女2 l E 2 lE 1 183 2 E 8o3 078 0 0墨L j 型韭丝睦型蓝吐堑星旦】n2 n3 m5 n1 面元i 丁币可F 1 百i 面了1 矿E 19L 25 02 2 4 03 74“7x，=T。止(1)r 一意高m其中：r 尸，I，J。，一l，2，。线性变换不政变集合的拓扑结构，因此n 和，维数相等，且x 和H 的范围都限定在 O，1 ，以便长度分形维数的计算。集台M 中，设振动波形长度为L，超立方体边长为e，则覆盖单元敖为L e 取e=1，=一1。园为在包覆或量度振动渡形时单元是用具有一维长度单位的超立方悼，因此所得分形维称为长度分形维，印o L=1+l l m(I n L 门n。)在中，对于有限样本点的非线性动力系统振动渡形的长度分形，下式成立D L=l+l I mh(L N)=l+l n L l n(3对于振动测试的信号作上述变换，可得到归一化的振动被形井计算其长度分形维数。22 振动响应测试潸点与敲击点试验模型如图1 所示通过锤击法o”1 分别刮得叶片上n6 f d 点的响应通对式(1)、式(2)的变换得到的响应如图2 所示。应用非线性动力系统长度分形维理论，分别计算其正常匿一F“状态响应和偏心状态响应的长度分形维数，作为偏心故障诊断与识别的特征量。3 叶片偏心位置与偏心量故障识别3 1 偏心位置识别在风力机组试验模型中分别测出叶片不同偏心点和年同偏心量状态下的加速度响应计算其长度分形维数。表d 为不同偏心位置和不弼偏心量下，各点的加速度响应的长度分形维数。由表4 列出的维数可知正常状态下(o 偏心)，叶失妇点)的维散最大；叶根(d 点)的维数最小；叶中(6，c 点)的维鼓大小居中，呈递减。图3 为正常状态和四种偏心位置的情况下，各点的响应长度分形维数。可以看出，正常状态下的分形维数比较小。在同一偏心量下各点的分形维数都比正常的大，其中叶尖最大叶根最小。由此可以看出，加速度响应的长度分形维数可u 描述叶片偏心故障的位置$4T 目*o T *l#*mk 燕k j 糙km lh 日t)c 目#J m)f 自mk g l 5万方数据镕3】#臻瓣浅*0 X目3*o H*$#*$自32 偏心量故障识别由表4 还可看出，随着各点偏心量的增大，各点分形维数随之增太，而“点(叶尖)的分形维数最大所以加建度响应的长度丹形维数可“描连叶片上点的偏心量的太小。利用不同偏心量的加速度响应长度分形维数，画出分布曲线图。由圈4 可见，当偏心量一定时，t 5 L 叶片的报部至叶片尖端t 长度分形维数运渐增大；当偏心量增大时从叶片的撤部至叶片尖端，长度分形维数也莲渐增大；偏心量越大，长度分形维数变化越明显。因此可将长度分形维效作为叶片偏心故障的量化丹析通过长度分形维数的变化可判定偏心量的大小。随着偏心质量的增加，各点分形维数并非均匀提高。从根部至d 点，长度分形维教几乎均匀增大；6 r，。点在正常状态下的长度分形维数比较接近。当偏心量达到2 时t c 点维数几乎投变 和a 点维数都呈线性增长，而a 点的最大，这是因为6 点域处于叶片空心(具有填充物)部分，其刚度比c 点小，n点为尖端刚度更小。因此各点分形维数的变化，可表明叶片结构及材料的强、弱区域。4 结束语通过锤击法测得叶片正常状态和俯心放障状态下的振动响应对其所计算的长度分形维数可作为识别叶片偏心位置丑偏心量故障状态的特征量。研究结果表明锤击响应的长度分形维数可识别出叶片质量偏心位置和偏心星的大小并反映出口 片结掏，材料刚度强，弱的区域位置。囚此锤击响应长度分形维数可对叶片质量偏心故障定位、定量及结构材料瑕疵区域定位、定量为大型风力机叶月运行损伤检测与故障预警提供实例和理论依据。I t 永棋目*月女E nF R P H m R 口 目堆复台#，2 0 0 i 1 8(3】64 9 z g 睬案g 女g A n 复#片技术进口&*月，#-2 0 0 5(3)：5 3-5 5 朝x 舯J m o 增c h o“g-F a”g M A，阢v z dJs，e Ia lw l n dt u b l n eb I a d ed F1 刊1 1”gf o n d o，t o r-I n z c I n w n a n a lc o n I e r o nE n e z yc o rs I“A p p l l (I C E C A2 0 0 1)w u h a n，C h l n 8H u a z h 伽gU n I yo f m dn c h n o l o g yP 一-2 0 0 l1 1 8*1 1 8 4 s u n d a 瑚a n M rJ d t e l l。g e n t b I a d e f“w m dt o r b n e$c 3 9 n I A A A s M E p 8 轴l e n。c aM e e“E x h m I tR e n o N e v a m U n I”da t e s!l h e A l c a n l n s t lL u t eo f e r o n a u n d A t r 0 t I e s 2 0 0 1-6 0 7 l 5 J o n a t h a nRw D o“g I a sE ，M a r kAR，lI m-p a c t l。a d l“Ea n dd g。d e t e c“o n l a r b o“p o m*l o ow I“b m 州。rb l“e c 4 6 t h I A AA 口c 叠j e n c e sM e e t l“E 曲i b i t艮n。，N e v a d a U n l “s l a t e s：t h eA I n s t l t u fA e u t l“A s t r O l c s 2。8 一l-1 3 6 洋0 东月m 虚#f 模#台技木结构有mi 女恪t J 撮珈、目x 与话断2 0 0 9 2 9(3)：2 8 2 9 1 7 4*#口*E，#t 动 挽*镕月&I 月W R 口 m 女水自#丰2 0 0 4 8(”)：d l-4 5 的先$，镕i*n*H 振动牲卷月t 构&#月口*自自与镕断2 0 0 8 2 8(3)2 5 92 9 月自m#，枢*g 大目度t 镕#目目A 向效应 J *自、E；口m2 0 0 8 2 8(1)；2 4 3 0 1 0 障-大林g f m*自自镕N m 识别r J *自d t 口2 0，)s 2 j(2)+0 8l o o*一镕者茼n：埭l 镕女，1 9 5 8 年1 月4#究口自*m 槭*&gmn*目#目。目&女“#n#自#*$#障镕*”(n*I a m 2 0 0-第 l 女第1 2 M)zF】：x“”1 t 啊1P d uf n。o*$万方数据叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断作者徐玉秀，王志强，梅元颖，Xu Yuxiu，Wang Zhiqiang，Mei Yuanying作者单位：天津工业大学机械电子学院,天津,300160;天津市现代机电装备技术重点实验室,天津,300160刊名：振动、测试与诊断英文刊名：JOURNAL OF VIBRATION MEASUREMENT&DIAGNOSIS年，卷(期)：2011,31(2)被引用次数：2次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.董永棋 国外风力发电机FRP叶片近况期刊论文-纤维复合材料 2001(03)2.陈宗来.陈余岳 大型风力机复合材料叶片技术及进展期刊论文-玻璃钢/复合材料 2005(03)3.Xiao Jinsong.Chong-Fang M A.David J S Wind turbine blade damage modeling for condition monitoring20014.Sundaresan,Mannur J An 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