CN108593230A - 一种叶片固有频率自动测试*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片固有频率自动测试***，包括外部控制分析***、底座、步进电机、旋转盘、装夹组件、激光位移传感器和喷气组件。步进电机驱动旋转盘轴向转动，从而带动待测试叶片转动；喷气端等时间断喷出气体使得待测试叶片振动，同时通过激光位移传感器测得待测试叶片的振动位移，将获得的振动位移信息和振动频率信息传入外部控制分析***，从而获得待测试叶片的各阶固有频率。本发明中间的测试过程不需要人工干预，自动化程度高，对操作人员技术水平要求低，测试效率高。可以大大提高相关行业的技术水平和测试效率，有很好的应用前景。

Description

一种叶片固有频率自动测试***

技术领域

本发明属振动测试技术领域，涉及一种叶片固有频率自动测试***。本发明结合了非接触式激励与测量技术和频谱自动采集分析技术，主要应用于航空发动机叶片的固有频率测试分析，也可以用于燃气轮机、鼓风机等叶片的自动测试。

背景技术

叶片事故是汽轮机机组事故之一，其发生几率高、危害大。统计资料表明，叶片的损坏故障绝大多数是由振动引起的。以航空发动机为例，其叶片的工作条件恶劣，高速旋转产生的离心力和强气流冲击带来的气动力极易使叶片产生振动，发动机由于振动引起的故障占总故障的60％以上，其中叶片振动故障占总振动故障的70％以上。叶片振动、尤其是共振将产生较大的振动应力，并导致叶片的疲劳失效或破坏。因此，实际测量发动机叶片的固有频率，对其振动特性进行分析具有重要的意义。

另外，由于材料、加工工艺与精度的差异，每个叶片的固有频率不尽相同。在同一级叶片中，叶片安装时必须将频率分散度控制在某个指标范围内(一般行业规定分散度小于8％为合格)。而且通过对每个叶片固有频率的测试，掌握其离散性，可以检验叶片的加工精度。

目前，叶片固有频率测试分析已成为叶片检验程序中必不可少的环节之一。测试方法多采用频谱分析法，即给叶片一个初始位移(或力)激励，使其产生衰减振动，通过测量叶片的位移响应并对其进行频谱分析，即得到被测叶片的固有频率。测试设备主要包括位移传感器、数据采集器和频谱分析软件。现有的测试***没有充分考虑叶片频率测试分析的特殊性，不构成一个完整的专用测试分析***。如对整体叶盘，其上分布多个叶片，每个叶片测试均需重新定位位移传感器的静态距离；每个叶盘由多个叶片组成，每次测量完成后均需用手动操作移动激励点和测量点等，不仅测试效率低下，而且要求测试人员具有较专业的操作水平和后续的数据处理能力，大大制约了相关行业的技术发展。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为解决先有技术存在的缺陷，本发明旨在研制一套通用的全自动叶片固有频率测试分析***，通过自动激励、自动采集和分析、自动实现不同叶片的转换，最终完成所有叶片固有频率的测试。

本发明的技术方案是：一种叶片固有频率自动测试***，其特征在于，包括外部控制分析***、底座1、步进电机2、旋转盘3、装夹组件、激光位移传感器8和喷气组件；步进电机2位于底座1内，待测试叶片位于旋转盘3上，并通过装夹组件夹紧，且夹紧后叶片能够从装夹组件侧面露出边缘；激光位移传感器8位于待测试叶片边缘上方；所述喷气组件包括脉冲电磁阀、气路10和喷气嘴9，连接线10一端与脉冲电磁阀连接，另一端为喷气端，位于待测试叶片边缘的下方，且激光位移传感器8和喷气端对应的为同一叶片；喷气嘴9位于连接线10上，通过脉冲电磁阀调节喷气嘴9的内径大小，控制喷气量；步进电机2驱动旋转盘3轴向转动，从而带动待测试叶片转动；喷气端等时间断喷出气体使得待测试叶片振动，同时通过激光位移传感器8测得待测试叶片的振动位移，将获得的振动时域信号传入分析***，分析***直接将时域信号转化为频域信号，从而获取叶片的各阶固有频率。

本发明的进一步技术方案是：所述外部控制分析***包括计算机、PLC控制器和USB采集板；所述计算机通过与PLC控制器保持通信，以同步控制装夹盘的转动和喷嘴电磁阀的开关；主控计算机通过与USB采集板保持通信，将采集到的时域信号传输至计算机进行频谱分析；计算机通过PLC控制器同步控制装夹盘的转动、喷嘴电磁阀的开关；USB采集板，将激光位移传感器8采集得到的位移信号传输至计算机进行处理和信号分析。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明中间的测试过程不需要人工干预，自动化程度高，对操作人员技术水平要求低，测试效率高。可以大大提高相关行业的技术水平和测试效率，有很好的应用前景。详细描述为

(1)本发明充分考虑叶片频率测试分析的特殊性，提供了一套完整的用于叶片固有频率测试的专用测试分析***。通过自动激励、自动采集和分析、自动实现不同叶片的转换，最终完成所有叶片固有频率的测试。该***只需一次装夹即可自动完成所有的叶片固有频率的测试工作，大大提高了测试效率，同时降低了测试过程中的人为干扰因素。

(2)本发明充分保证了整套叶片固有频率自动测试***的通用性。设计了可调节的叶片装夹机构和喷气激励***，可以满足不同尺寸设备叶片的装夹，同时针对不同结构或材料的叶片可以提供不同的激励力。而且整个操作过程完全集成到***中，对操作人员的专业水平要求较低。

(3)本发明充分考虑了产品测试的安全性。采用了喷气激励和非接触激光位移传感器，不仅保证了测试过程中产品不受损害，而且具备较高的测量精度。

附图说明

图1：通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的结构分布图。

图2：通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的二维结构测视图。

图3：通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的二维结构俯视图。

图4：三爪夹紧盘二维结构图。

图5：单个叶片实测的位移-时间曲线、幅频曲线和相频曲线。

图6：外部控制分析***模块图

图7:本装置立体第一示意图

图8：本装置立体第二示意图

附图标记说明：1-底座，2-步进电机，3-旋转盘，4-可调整下支撑，5-产品，6-可调整上支撑，7-拧紧螺母，8-激光位移传感器，9-喷气嘴，10-连接线

具体实施方式

参见图1-图8，本发明主要内容包括：1)通用叶片装夹和自动旋转驱动机构；2)自动喷气激励、位移自动采集和控制***；3)固有频率自动测试和识别***。其中：

通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的主要特征在于：可以安装不同大小的叶片，并实现自动旋转控制。装夹包括一个底座和一个旋转盘”。旋转盘就是叶盘，通过夹紧盘将旋转盘卡住，用步进电机带动夹紧盘转动(从而带动旋转盘转动)，而步进电机是由主控计算机通过与PLC控制器保持通信来控制的。

旋转盘上安装夹紧盘，上下夹紧盘采用三爪机构，可以调节三爪的距离，适应不同直径整体叶盘的安装要求。通过一个拧紧螺母来实现产品的紧固，拧紧螺母固定在旋转盘上，旋转盘安装在一个环形轴承上，驱动电机可以较轻松地带动旋转盘转动。

自动喷气激励、位移自动采集和控制***又可以分为：自动喷气激励***、位移自动采集***和控制***三部分。其中，自动喷气激励***的主要特征在于：采用气体喷气激励，并通过一个脉冲电磁阀来实现控制。气体激励可以在激起叶片振动的同时，减少对叶片的损害。气动激励力的大小可以通过调整气压和喷气嘴大小来调节，直到叶片在气动激励力的作用下产生振动。位移自动采集***的主要特征在于：叶片振动位移的测量采用非接触激光位移传感器进行测量，并将测量得到的动态位移信号转化为电信号。控制***的主要特征在于：计算机通过一个PLC控制器同步控制装夹盘的转动、喷嘴电磁阀的开启。

固有频率自动识别***的主要特征在于：通过一块USB采集板，将自动位移采集***采集得到的位移信号传输至计算机进行处理和信号分析。利用FFT变换技术对采集的信号进行分析，根据叶片振动频谱的峰值自动识别和提取叶片的各阶固有频率。完成全部叶片的频率测试之后，建立数据库，(不断积累采集到的位移振动信号和分析得到的频率信号，建立待测叶片的时域和频域信号大数据库。通过大数据分析，挖掘叶片的质量优劣信息，从而建立叶片质量检验的智能检测平台。)保存每个叶片的测试结果，并生成打印报表。

控制***主要用于操控整个测试流程，分析***用于分析采集到的时域信息。实际上，激光位移传感器采集到的是叶片振动位移随时间变化的信号(一般称之为时域信号)，通过相关算法(比如傅里叶变换等)可以直接将时域信号转换为振动位移随频率变化的信号(一般称之为频域信号)。通过频域信号图就可以直接读取出叶片的相关固有频率。“相关算法”是通过编程直接嵌入到分析***里面的。

本实施实例基于叶片固有频率自动测试***，对某轮机叶片进行固有频率测试。其中，通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的结构分布图如图1所示。通用叶片装夹和自动旋转驱动机构的三位结构图如图2所示。方法流程为：

步骤1：如图1、图2和图3所示，将待测叶片组放置在通用叶片装夹和自动旋转驱动机构中的可调整下支撑和可调整上支撑之间。

步骤2：如图1、图2、图3和图4所示，调整上下夹紧盘三爪的距离，以适应待测叶片组的安装要求。

步骤3：如图1、图2和图3所示，拧紧固定在旋转盘上的拧紧螺母，确保驱动电机可以较轻松地带动安装在环形轴承上的旋转盘。

步骤4：如图1所示，通过脉冲电磁阀来控制并调整气压和喷气嘴大小，从而改变气动激励力的大小，直到叶片在气动激励力的作用下产生振动。

步骤5：开始测试，计算机通过一个PLC控制器同步控制装夹盘的转动、喷嘴电磁阀的开启。***会根据叶片数量，自动旋转相应的角度，从而确保每一片叶片都能准确运动至对应的喷嘴喷气激励位置。喷嘴喷气激励大小与步骤4中调整好的结果一致。

步骤6：每进行一次激励，位移自动采集***通过非接触激光位移传感器自动对叶片振动位移进行测量，并将测量得到的动态位移信号转化为电信号。通过一块USB采集板，将自动位移采集***采集得到的位移信号传输至计算机进行频谱分析。利用FFT变换技术对采集的信号进行分析，根据叶片振动频谱的峰值自动识别并提取叶片的各阶固有频率。以其中某一片叶片为例，实测的位移-时间曲线，以及分析处理得到的幅频曲线和相频曲线如图5所示，可测得其一阶固有频率为552Hz。

步骤7：所有的叶片测试完毕后，建立数据库，保存每个叶片的测试结果，并生成打印报表。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种叶片固有频率自动测试***，其特征在于，包括外部控制分析***、底座(1)、步进电机(2)、旋转盘(3)、装夹组件、激光位移传感器(8)和喷气组件；步进电机(2)位于底座(1)内，待测试叶片位于旋转盘(3)上，并通过装夹组件夹紧，且夹紧后叶片能够从装夹组件侧面露出边缘；激光位移传感器(8)位于待测试叶片边缘上方；所述喷气组件包括脉冲电磁阀、气路(10)和喷气嘴(9)，连接线(10)一端与脉冲电磁阀连接，另一端为喷气端，位于待测试叶片边缘的下方，且激光位移传感器(8)和喷气端对应的为同一叶片；喷气嘴(9)位于连接线(10)上，通过脉冲电磁阀调节喷气嘴(9)的内径大小，控制喷气量；步进电机(2)驱动旋转盘(3)轴向转动，从而带动待测试叶片转动；喷气端等时间断喷出气体使得待测试叶片振动，同时通过激光位移传感器(8)测得待测试叶片的振动位移，将获得的振动时域信号传入分析***，分析***直接将时域信号转化为频域信号，从而获取叶片的各阶固有频率。

2.如权利要求1所述的一种叶片固有频率自动测试***，其特征在于，所述外部控制分析***包括计算机、PLC控制器和USB采集板；所述计算机通过与PLC控制器保持通信，以同步控制装夹盘的转动和喷嘴电磁阀的开关；主控计算机通过与USB采集板保持通信，将采集到的时域信号传输至计算机进行频谱分析；计算机通过PLC控制器同步控制装夹盘的转动、喷嘴电磁阀的开关；USB采集板，将激光位移传感器(8)采集得到的位移信号传输至计算机进行处理和信号分析。