[发明专利]一种转子系统在线健康监测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及到设备的健康监测领域，具体地，涉及一种基于超声导波的转子系统在线探伤系统及方法。

背景技术

随着社会需求的逐步提高，工业设备的大型化、高功率化趋势日益明显，各种大型动设备的上马使得转子系统这一动设备核心组成的健康状况成为了决定动设备工作情况的关键。为了实现大型高功率设备的能耗降低与成本控制，需要利用一定的手段对工作中的转子系统进行在线健康监测，并根据其健康状态有计划地对其进行维修或更换。这样大大降低了异常工况工作造成的能耗浪费及突发故障停机带来的经济损失乃至人身伤害等危险。

超声导波是指在板、梁、轴、壳等有固定形状的固体介质中传播的超声波，其特点在J.L.罗斯的《固体中的超声波》一书中有详细阐述。与空气中传播的声波不同，在有固定形状的固体介质中传播的超声导波，根据波源激励频率的不同可以激励出对应不同波数的不同模式的波形。各波形的相速度与群速度均与波源激励频率有关。利用超声导波可以进行结构的无损检测，有极其广泛的应用前景。但目前其频散特性等特点一定程度上限制了该方法的应用。

检索到的与超声导波检测相关的专利包括对结构进行健康监测或长度检测，例如：200910029339.3，钢管杆埋藏部分杆身腐蚀的超声导波检测方法；200610078640.X，锚杆长度超声导波检测仪。现有的方法需要被测结构处于静止状态进行检测。对于大型、大功率设备中的转子这一需要长时间处于工作状态下的系统，即使是定期的停机检测也会造成很大程度的经济损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用超声导波技术进行的转子系统在线工作下的健康监测系统及方法。对于在线工作的转子，根据其几何尺寸与材料等参数设计激励信号，在转子中激励出超声导波后，根据反射的超声导波信号的回波时间及信号形状判断损伤是否存在、损伤位置及损伤大致形状，进而对其健康状况进行判断，决策其应继续工作、停车小修或返厂大修等动作。

根据本发明的一个方面，提供一种转子系统在线健康监测系统，该系统包括参数设计系统、信号发生-放大器、信号传送器、信号激励器、信号传感器、信号收集器与健康状况决策系统，其中：

参数设计系统根据设定的待监测转子系统的几何尺寸与材料参数，决定激励频率与激励信号形状；

信号发生-放大器产生激励信号，通过信号传送器将激励信号送至信号激励器；

信号激励器在转子系统中实际激励出超声导波；

信号传感器将激励出的超声导波的反射波转换为反射信号，通过信号传送器返回至信号收集器；

信号收集器将采集到的模拟信号转换为数字信号并进行一定的去噪、滤波等处理后，送至健康状况决策系统；

健康状况决策系统对信号表征的转子损伤是否存在、损伤位置及大致形状进行判断，并最终决策转子的健康状况并给出相应健康状况的处理建议。

优选地，所述参数设计系统，利用转子的长度、周长、转速与材料属性参数，计算超声导波的频散特性，手动或自动选择激励信号的频率，以及其加窗函数的形状，最终决定数字化激励信号。

优选地，所述信号发生-放大器，包括数模转换信号发生器与信号放大器，数模转换信号发生器将参数设计系统设计的数字化激励信号转换为模拟信号，并经信号放大器放大至信号激励器工作的幅值。

优选地，所述信号传送器为多通道过孔式高速滑环。

优选地，所述信号激励器与信号传感器均为压电片。

优选地，所述信号收集器，包括滤波器、多通道模数转换卡与多通道信号采集卡，经滤波器滤波与多通道模数转换卡模数转换后的采集信号由多通道信号采集卡保存。

优选地，所述健康状况决策系统，是指可以将信号收集器收集到的信号进行数字信号处理，从信号特征中判断转子的健康状况，进而给出下一步动作建议的系统。

根据本发明的一个方面，提供一种转子系统在线健康监测方法，包括如下步骤：

第一步，首先在待监测的转子系统上安装信号激励器、信号传送器；

第二步，在参数设计系统中输入转子的长度、直径、转速与材料特性等参数，根据参数设计系统的计算得到激励信号的频率、形状等信息，将信息输入信号发生-放大器；

第三步，信号发生-放大器中的数模转换信号发生器将输入的数字信号进行模数转换后输出，由放大器将信号放大成适宜信号激励器工作的幅值；

第四步，激励信号通过信号传送器，激励信号激励器，将激励信号以超声导波的形式加载在转子上；