第一作者程禮男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

某型渦槳發(fā)動機(jī)減速器整機(jī)振動監(jiān)控閥值研究

程禮1,2，屈軻1，陳衛(wèi)1，尚柏林1，高君宇1

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安710038； 2.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191)

摘要：針對某型渦槳發(fā)動機(jī)在不分解的前提下對齒輪轂進(jìn)行故障診斷的要求，設(shè)計搭建了整機(jī)振動測試系統(tǒng)，利用該測試系統(tǒng)在廠內(nèi)臺架和外場飛機(jī)上完成了18臺次整機(jī)振動測試。特別是專門定制了一臺模擬故障的發(fā)動機(jī)減速器并完成了2臺次試驗。針對實際故障特點，采用了兩種分析信號數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)3σ準(zhǔn)則確定了監(jiān)控閥值。根據(jù)IIR數(shù)字濾波器原理，對實測信號進(jìn)行了特征頻帶提取與對比分析，確定了一級齒輪轂內(nèi)齒端嚙合頻率(1 736 Hz)、外齒端嚙合頻率(6 458.5 Hz)為特征頻率，研究確定了特征頻帶監(jiān)控閥值。并根據(jù)Hilbert解調(diào)定理對減速器振動信號進(jìn)行解調(diào)，對比分析了調(diào)制信號幅值，針對在發(fā)動機(jī)不同狀態(tài)下有明顯差別的的游星架轉(zhuǎn)頻四倍頻(71.7 Hz)計算其解調(diào)特征監(jiān)控閥值。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；數(shù)字濾波器；Hilbert解調(diào)；3σ準(zhǔn)則；監(jiān)控閥值

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51175509，51275374)

收稿日期：2014-06-20修改稿收到日期：2014-08-07

中圖分類號:V231.96； TK47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Vibration monitoring threshold of turboprop engine reducer

CHENGLi1,2,QUKe1,CHENWei1,SHANGBo-lin1,GAOJun-yu1(1. Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. Co-Innovation Center for Advanced Aero-Engine, Beijing 100191, China)

Abstract:In order to meet the requirements of undertaking the gear hub fault diagnosis of a turboprop aero-engine without decomposition, a complete machine vibration test system was designed and built. 18 times of complete machine vibration tests were accomplished on the factory bench and out-field aircrafts by using the test system and 2 times of tests were applied based on a specially ordered aero-engine reducer with simulated faults. Aiming at real characteristics of the faults, two methods were used to analyze the signal data, and the monitoring threshold value was confirmed according to the 3σ rule. Based on IIR digital filter theory, the characteristic sub-band was extracted and a comparative analysis of measured signals was carried out. The first level gear tooth meshing frequency in gear hub(1 736 Hz) and the gear tooth meshing frequency(6 458.5 Hz) were defined as the feature frequencies and the threshold value of the characteristic sub-band was determined. According to the Hilbert demodulation theorem, vibration signals of the reducer were demodulated. The amplitudes of the modulated signals were analyzed comparatively and the threshold value for demodulated characteristic monitoring was confirmed.The demodulation characteristic monitoring thresholds were calculated according to four times the rotating frequency of the planetary gear fram (71.7 Hz) which is of obvious difference under different conditions of the engine.

Key words:aero-engine; digital filter; Hilbert demodulation; 3σ rule; monitoring threshold value

航空發(fā)動機(jī)的可靠工作，是飛機(jī)飛行安全的重要保證[1-2]，結(jié)構(gòu)件的可靠性歷來都是航空發(fā)動機(jī)的最受關(guān)注的問題之一[3-4]。研究在不分解發(fā)動機(jī)的情況下，通過體外測振技術(shù)實現(xiàn)故障診斷的方法有很重要的工程實用意義。

振動信息所包含旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的力學(xué)特征最為豐富，能夠全面地反映旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此，相比其它的征兆提取形式，振動是目前公認(rèn)的故障最佳征兆提取量[5]。所謂發(fā)動機(jī)的整機(jī)振動，就是作為一個整體的航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，在各種激振力作用下的響應(yīng)。整機(jī)振動信息量大，干擾多，很難獲取與故障相關(guān)的振動信息，是一個十分復(fù)雜的問題。國內(nèi)外的研究表明，建立在振動測試與分析基礎(chǔ)上的監(jiān)測、診斷對渦槳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視及結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上的早期故障預(yù)報是行之有效的手段[6-8]。在整機(jī)振動特性的研究上，國內(nèi)外研究人員不僅在模型建立、數(shù)值求解等理論分析方面進(jìn)行了大量工作，并且進(jìn)行了大量關(guān)于整機(jī)振動的試驗[9-12]。

通過分析設(shè)備在運轉(zhuǎn)中所獲取的各種信號，提取信號中的各種特征信息，從中篩選出與故障相關(guān)的征兆，進(jìn)而利用征兆進(jìn)行故障診斷。振動監(jiān)控閥值就是振動信號的合理范圍。閥值的確定一般采用振動位移、振動速度或振動加速度，也可采用振動級的形式，如振動速度級、振動加速度級等[13-14]。整機(jī)振動監(jiān)控閥值是對于航空發(fā)動機(jī)健康工作狀態(tài)的保護(hù)規(guī)定。如果閥值定的過高，那么發(fā)動機(jī)的早期故障難以發(fā)現(xiàn)，若定的過低，則會影響發(fā)動機(jī)的正常使用。因此，選擇一種合適的閥值計算方法極為重要。3σ準(zhǔn)則可以有效的將信號突變區(qū)分出來，因此，我們利用此準(zhǔn)則來計算確定監(jiān)控閥值[15]。

本文設(shè)計搭建了渦槳發(fā)動機(jī)一級齒輪轂振動測試系統(tǒng)，完成了18次臺架振動數(shù)據(jù)的測試。針對齒輪轂的特征頻率設(shè)計IIR橢圓帶通濾波器，將與齒輪轂緊密相關(guān)的特征頻率所處頻段的信號從原信號中提取出來。確定了特征頻率，并研究確定特征頻帶監(jiān)控閥值。然后在分析希爾伯特解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，針對減速器故障特點，對特征頻率所處頻段的振動信號開展解調(diào)特征分析，計算出與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障對應(yīng)的閾值。

1減速器故障及特征參數(shù)分析

1.1一級齒輪轂故障特點

某型渦槳發(fā)動機(jī)減速器是一種典型的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長和工作可靠等特點。由于其特有的嚙合傳力方式容易出現(xiàn)兩個問題：①振動、噪聲大；②當(dāng)其制造工藝、材質(zhì)、熱處理、裝配等因素未達(dá)到理想狀態(tài)時，容易成為誘發(fā)故障的重要因素，且診斷較為復(fù)雜。常見的齒輪故障形式有四種：齒的斷裂、齒的磨損、齒面疲勞、齒面塑性變形。

2011-06 015#發(fā)動機(jī)在返廠分解后，發(fā)現(xiàn)第一級齒輪轂裂紋，裂紋靠外廓外花鍵處，涉及花鍵27齒，共有4處裂紋延伸至外花鍵(見圖1)。

圖1　第一級齒輪轂裂紋 Fig.1 The first level gear hub’s crack

從零件外觀上看，一級齒輪轂輻板靠外花鍵出現(xiàn)了約300 mm長的裂紋，已擴(kuò)展成為穿透裂紋。裂紋掉塊的齒數(shù)為27齒(一級齒輪轂外花鍵共97個齒)，約占整個圓周的1/3，外花鍵齒工作面出現(xiàn)了較深的嚙合痕跡。該裂紋呈典型的疲勞開裂特征，疲勞起源于外花鍵齒靠齒根端面，靠齒輪轂凹面一側(cè)，疲勞裂紋源區(qū)附近平坦，可見清晰的疲勞弧線。裂紋起始后沿徑向擴(kuò)展，然后逐漸轉(zhuǎn)向，最終在擴(kuò)展過程中出現(xiàn)了2處較大的轉(zhuǎn)折及分叉，每處都基本呈U形，當(dāng)擴(kuò)展到靠近外花鍵時裂紋分叉裂開，主裂紋繼續(xù)往前擴(kuò)展直至最后裂開，很長的擴(kuò)展區(qū)斷面大部分為擴(kuò)展速度較快而出現(xiàn)的粗糙的疲勞臺階，局部有因擴(kuò)展速度放緩而出現(xiàn)較平坦的疲勞斷面。

1.2整機(jī)試驗設(shè)計

利用設(shè)計搭建的渦槳發(fā)動機(jī)一級齒輪轂振動測試系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗。為了盡量多的采集到有用的振動信號，使采集到的振動信號能全面反映出一級齒輪轂的特性，且相對更易識別和分析，并且考慮到傳感器在實際發(fā)動機(jī)上安裝的可行性。在發(fā)動機(jī)前安裝邊和承力機(jī)匣上各設(shè)置了壓電式加速度傳感器(B&K公司4513B和4504A)，其中承力機(jī)匣處的為三向傳感器，分別測量了水平方向和垂直方向的振動信號(見圖2)。實驗采用DEWESoft公司的DT9837型數(shù)據(jù)采集儀。在廠內(nèi)對6臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行了10次試驗，其中包括新機(jī)4臺各1次(分別為0175#、0832#、0164#、0829#發(fā)動機(jī))、返廠大修發(fā)動機(jī)(裝有返廠大修齒輪轂的0532#發(fā)動機(jī))1臺1次、專用試車發(fā)動機(jī)1臺共5次(包括裝有正常原型機(jī)齒輪轂的0072-1#發(fā)動機(jī)1次、裝有正常國產(chǎn)齒輪轂的0072-2#和0072-3#發(fā)動機(jī)各一次、裝有模擬故障齒輪轂的0072-4#發(fā)動機(jī)2次)。模擬故障齒輪轂為專門定制的、帶有裂紋的齒輪轂。同時在外場進(jìn)行了8臺次的試驗來驗證所確定閥值的正確性。

圖2　一級齒輪轂測點分布位置示意圖 Fig.2 Sketch map of the measuring point for first level gear hub

1.3減速器振動特征分析

由于此發(fā)動機(jī)為等轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)，根據(jù)減速器齒輪系的傳動特點，該發(fā)動機(jī)在除慢車狀態(tài)時工作轉(zhuǎn)速恒為12 300 r/min(205 Hz),此時減速器內(nèi)各旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的主要周期性機(jī)械信號(見表1)。

表1　減速器內(nèi)主要周期性機(jī)械信號頻率

頻譜分析得知，在實測信號中包含的一些理論計算得到的周期信號有：減速器內(nèi)各部件的旋轉(zhuǎn)及齒輪間的嚙合振動，附件傳動系統(tǒng)中一些齒輪的嚙合振動，壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉片的氣流激振及其導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速基頻成整數(shù)倍關(guān)系的各階諧頻振動是較為突出。頻譜中其它一些未知且較為突出的頻率成分可能是由于其他因素，比如發(fā)動機(jī)機(jī)體的各個固有頻率振動以及傳感器的共振引起的。

圖3為0832#發(fā)動機(jī)在0.2額定運行狀態(tài)同一時間段三個傳感器采集信號的頻譜。三個頻譜圖中的主要頻率基本一致，而且都有明確的物理意義，說明了各傳感器測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中1 772 Hz為減速器內(nèi)二級主動輪、二級中間輪和二級內(nèi)齒圈之間的嚙合頻率，3 543 Hz、5 424 Hz分別為1 738 Hz的2倍、3倍；6 567 Hz為一級齒輪轂外齒端內(nèi)齒圈與游星輪及一級主動輪與游星輪間的嚙合頻率。

頻譜分析可知，減速器一級齒輪轂兩端嚙合振動較為突出，齒輪轂若存在裂紋故障則其自身剛度會改變，進(jìn)而會對其兩端的嚙合振動帶來影響。將齒輪轂嚙合振動頻率信號作為重點監(jiān)測對象，通過正常齒輪轂與預(yù)制裂紋齒輪轂振動信號的對比分析，可以研究裂紋對齒輪轂兩端嚙合振動幅度及嚙合振動的非平穩(wěn)性帶來的影響。因此，將一級齒輪轂內(nèi)齒端嚙合頻率(1 736 Hz左右)、外齒端嚙合頻率(6 548.5 Hz左右)分別記作特征頻率f1、f2，進(jìn)而確定齒輪轂嚙合振動頻率信號的合理范圍。

圖3　0832#發(fā)動機(jī)信號頻譜 Fig.3 The spectrum of 0832# engine signal

2特征頻帶提取及監(jiān)控閥值分析

2.1特征頻帶的確定

通過IIR濾波分別提取f1及其2倍頻、3倍頻2f1、3f1與f2所處的特征頻段，對各特征頻帶進(jìn)行振動量有效值求解。對各臺次發(fā)動機(jī)0.2額定狀態(tài)傳感器1測試信號20 Hz連續(xù)子頻帶振動量值分布進(jìn)行計算，可知廠內(nèi)不同發(fā)動機(jī)以及同一發(fā)動機(jī)在不同齒輪轂狀態(tài)下的試驗中，測試信號的振動量分布基本一致，驗證了各次測試數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性，從而可以通過對特征頻帶的振動量的對比分析來評估齒輪轂的健康狀況。計算結(jié)果表明，預(yù)制裂紋的故障齒輪轂發(fā)動機(jī)與正常發(fā)動機(jī)在3f1(5 200～5 240Hz)與f2(6 460～6 630 Hz)所處頻段的振動量大小有明顯差異。

由圖4～圖5可知：

(1)對于同一次試驗，隨著發(fā)動機(jī)輸出功率的增加，特征頻帶的振動量并不是穩(wěn)定的增長，而具有較強(qiáng)的離散性；對于發(fā)動機(jī)同一運行狀態(tài)下不同次試驗，特征頻帶振動量間也具有很強(qiáng)的離散性。對于同一次試驗，可能是隨著轉(zhuǎn)矩的增大，齒輪轂受內(nèi)齒圈預(yù)緊力加大，齒輪轂剛度相應(yīng)產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致其各階模態(tài)固有頻率變化。而這種變化是非線性的，受其影響嚙合振動幅度也呈非線性波動。

(2)無論是1號傳感器還是2號傳感器，在3f1特征頻帶和3f2特征頻帶上，故障齒輪轂發(fā)動機(jī)的特征頻帶振動量在發(fā)動機(jī)各運行狀態(tài)均明顯地高于正常齒輪轂發(fā)動機(jī)，同時返廠大修齒輪轂發(fā)動機(jī)振動量也稍高于其它正常齒輪轂發(fā)動機(jī)。

(3)由圖4(b)可知返廠大修齒輪轂和預(yù)制裂紋齒輪轂結(jié)果比廠內(nèi)正常齒輪轂試驗要高，比例大約為2倍，并且返廠大修齒輪轂比預(yù)制裂紋齒輪轂結(jié)果要稍大。這說明由于發(fā)動機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜性，振動信號經(jīng)不同傳遞路徑后，信號能量的變化具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。

圖4　廠內(nèi)測試發(fā)動機(jī)振動量有效值幅值圖 Fig.4 The vibration magnitude of RMS value of the engine tested in the factory

圖5　0072發(fā)動機(jī)振動量有效值幅值圖 Fig.5 The vibration amplitude of RMS value of the 0072 engine

2.2監(jiān)控閥值確定

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)和振動分析理論，振動信號的告警值為正常振動量值的3倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)(±3σ)，在此范圍內(nèi)的發(fā)動機(jī)振動幅值即認(rèn)為正常，發(fā)動機(jī)可繼續(xù)正常使用；而在此范圍之外的發(fā)動機(jī)振動幅值即認(rèn)為振動信號幅值出現(xiàn)異常，此時發(fā)動機(jī)應(yīng)停止使用(此范圍一般稱為容差范圍)。

根據(jù)場內(nèi)正常發(fā)動機(jī)振動數(shù)據(jù)，針對預(yù)制裂紋齒輪轂相對于正常齒輪轂有較大變化的3f1、f2特征頻帶振動量計算出對應(yīng)的閥值(見圖6)。

3Hilbert解調(diào)特征提取及監(jiān)控閥值確定

3.1特征頻帶解調(diào)分析

由于齒輪箱中旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)軌跡不完全對稱，尤其是旋轉(zhuǎn)部件存有缺陷時會加重這種不對稱性，這樣旋轉(zhuǎn)部件就會在其回轉(zhuǎn)中以其回轉(zhuǎn)頻率及其諧頻為調(diào)制頻率，對齒輪的嚙合振動進(jìn)行周期性調(diào)制。因此，可以把齒輪的嚙合頻率及其各次諧波看作一個高頻振蕩的載波信號，將周期性出現(xiàn)的故障信號看作調(diào)制信號，從載波信號中經(jīng)過解調(diào)得到與故障緊密相關(guān)的調(diào)制信號。

圖7(a)為廠內(nèi)正常齒輪轂試驗傳感器2測試信號經(jīng)IIR濾波后提取f1特征頻帶(1 600～1 880 Hz)，f2特征頻帶(6 460～6 570 Hz)以及它們的Hilbert變換后包絡(luò)信號。圖7(b)為預(yù)制裂紋齒輪轂試驗的兩個特征頻帶以及它們的包絡(luò)信號。從圖7(a)和圖7(b)的對比可知：特征頻帶1的包絡(luò)信號幅度很小，兩組試驗結(jié)果區(qū)別不大；特征頻帶2包絡(luò)信號幅度很大，并且預(yù)制裂紋齒輪轂比正常齒輪轂的包絡(luò)信號幅度更大。對傳感器2和傳感器3的特征頻帶信號進(jìn)行分析后，可以得出同樣的結(jié)論。

圖6　齒輪轂故障特征頻帶振動量監(jiān)控閥值 Fig.6 The fault characteristic sub-band vibration monitoring threshold of gear hub

圖7　試驗特征頻帶包絡(luò)信號 Fig.7 Envelope signal of test characteristic bands

對圖7(b)中f2特征頻帶包絡(luò)信號進(jìn)行解調(diào)分析，結(jié)果見圖8。解調(diào)譜中有17.9 Hz、35.9 Hz、49.7 Hz、71.7 Hz幾個突出的頻率成分，它們分別對應(yīng)于游星架轉(zhuǎn)頻、游星架轉(zhuǎn)頻2倍頻、一級齒輪轂轉(zhuǎn)頻、游星架轉(zhuǎn)頻4倍頻。因為游星架上有4個游星輪，所以游星架轉(zhuǎn)頻4倍頻幅值較大。

圖8　預(yù)制裂紋齒輪轂試驗f 2特征頻帶解調(diào)譜 Fig.8 Test f 2 characteristic sub-band demodulation spectrum of gear hub with prefabricated crack

從圖9可知：對于1號和2號傳感器的71.7 Hz調(diào)制信號幅值，預(yù)制裂紋齒輪轂發(fā)動機(jī)相比于各正常發(fā)動機(jī)在各運行狀態(tài)有明顯的躍升，這可能是由于故障齒輪轂存在的裂紋會改變其在運轉(zhuǎn)中的不對稱程度，進(jìn)而通過與其直接接觸的4個游星輪傳遞改變游星架的運行狀態(tài)，使頻率為游星架轉(zhuǎn)頻4倍的調(diào)制信號明顯加強(qiáng)。

圖9　71.7面Hz調(diào)制信號振動量幅值圖(有效值) Fig.9 Vibration amplitude of 71.7 Hz modulated signal

3.2監(jiān)控閥值確定

根據(jù)場內(nèi)正常發(fā)動機(jī)振動數(shù)據(jù)，針對預(yù)制裂紋齒輪轂相對于正常齒輪轂有較大變化的f2特征頻帶71.7 Hz調(diào)制信號幅值，計算出相對應(yīng)的閥值(見圖10)。

圖10　齒輪轂故障f 2特征頻帶71.7 Hz調(diào)制信號閥值 Fig.10 Monitoring threshold of 71.7 Hz modulated signal cracked gear hub’s f 2 characteristic sub-band

通過與在外場試車的八臺次整機(jī)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)外場的試車數(shù)據(jù)均處于閥值范圍內(nèi)，減速器狀態(tài)正常。在后期應(yīng)用中，應(yīng)用該閥值范圍成功檢測出兩臺齒輪轂故障的發(fā)動機(jī)。驗證了所確定閥值可以有效的對齒輪轂故障進(jìn)行診斷。

4結(jié)論

本文通過發(fā)動機(jī)整機(jī)振動試驗，得出了發(fā)動機(jī)減速器的特征頻率，研究確定了解調(diào)特征監(jiān)控閥值，得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)合某型渦槳發(fā)動機(jī)實際測試需求，設(shè)計搭建了發(fā)動機(jī)減速器一級齒輪轂測試系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，所搭建的測試系統(tǒng)能夠完成某型渦槳發(fā)動機(jī)減速器一級齒輪轂振動測試。

(2)在3f1和f2特征頻帶上，故障齒輪轂發(fā)動機(jī)的特征頻帶振動量在發(fā)動機(jī)各運行狀態(tài)均明顯地高于正常齒輪轂發(fā)動機(jī)。但是，返廠大修齒輪轂發(fā)動機(jī)的振動量也高于其它正常齒輪轂發(fā)動機(jī)，因此還需要增加監(jiān)控閥值。

(3)通過對特征頻帶解調(diào)發(fā)現(xiàn)，在1號和2號傳感器的f2特征頻帶上，故障齒輪轂的發(fā)動機(jī)減速器游星架轉(zhuǎn)速的4倍頻(71.7 Hz)調(diào)制信號在量值上明顯高于正常齒輪轂發(fā)動機(jī)。

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