牟進(jìn)港 李志遠(yuǎn) 高海闊 劉 奔

濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東 濱州 256600

航空發(fā)動機(jī)振動信號應(yīng)用研究

牟進(jìn)港 李志遠(yuǎn) 高海闊 劉 奔

濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東 濱州 256600

研究了航空發(fā)動機(jī)振動信號以及信號的時(shí)域、幅域，對航空發(fā)動機(jī)振動信號的應(yīng)用范圍進(jìn)行了歸納總結(jié)，為更好地設(shè)計(jì)、改進(jìn)和制造發(fā)動機(jī)提供理論依據(jù)。

航空發(fā)動機(jī)；振動信號；故障診斷

引言

航空發(fā)動機(jī)是一種非常高速的旋轉(zhuǎn)工作機(jī)械，對飛行安全至關(guān)重要。發(fā)動機(jī)健康狀況的惡化威脅著機(jī)組人員和乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。操作振動問題非常突出：振動的損傷非常嚴(yán)重，會引起飛行員的情緒緊張，繼而影響操作；嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動機(jī)部件，減短發(fā)動機(jī)壽命，危及飛機(jī)安全。所以，監(jiān)控發(fā)動機(jī)的狀態(tài)是非常重要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過90%的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的故障是由振動引起的，或者與振動有密切的關(guān)系。與此同時(shí)，振動會加大發(fā)動機(jī)燃料的消耗，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。為了監(jiān)測航空發(fā)動機(jī)的振動信號，對發(fā)動機(jī)的振動頻率、相位和振幅進(jìn)行了研究。航空發(fā)動機(jī)振動信號的分析和處理包括信號預(yù)處理、時(shí)域和信號的幅度域分析[1]。

1 航空發(fā)動機(jī)振動信號的處理方法

1.1 信號的預(yù)處理

在飛機(jī)發(fā)動機(jī)振動信號的飛行測試過程中，由于采樣率高、飛行時(shí)間長，采集的數(shù)據(jù)量也很大，因此對所收集的信號處理時(shí)間也比較長。信號需要從收集的振動信號中選擇，然后再進(jìn)行處理。信號預(yù)處理主要包括航空發(fā)動機(jī)的振動信號、分割和誤差，預(yù)濾波以及零均值轉(zhuǎn)換。根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，對發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的振動信號進(jìn)行采集。將采集的所有數(shù)據(jù)和表示引擎工作狀態(tài)的信號回放，找到引擎工作狀態(tài)運(yùn)行的時(shí)間段，利用該時(shí)間段截取所需振動信號的數(shù)據(jù)段。在回放過程中，如果有故障或異常信號，它也可以截取信號前后的數(shù)據(jù)段，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1.2 幅域分析

信號振幅的各種處理被稱為幅域分析。信號的簡單參數(shù)包括峰值、平均值、最小值、有效值等。這些參數(shù)相對簡單，對振動變化有較好的靈敏度。實(shí)際上，隨機(jī)信號概率密度函數(shù)決定了各種參數(shù)。在實(shí)際動態(tài)特征值計(jì)算中，可以通過采樣得到離散時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

1.3 時(shí)域分析

振動數(shù)據(jù)處理通常需要兩個(gè)時(shí)域信號相關(guān)性分析，也稱為時(shí)域分析，包括相關(guān)系數(shù)、相互關(guān)聯(lián)函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)的內(nèi)容分析。時(shí)域分析的一個(gè)重要特征是信號具有時(shí)間順序，即由數(shù)據(jù)序列生成的時(shí)間序列。在現(xiàn)場分析中，時(shí)間順序是函數(shù)，可以利用采樣時(shí)間的波形來計(jì)算參數(shù)。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。

2 航空發(fā)動機(jī)振動信號應(yīng)用范圍

2.1 航空發(fā)動機(jī)振動超限監(jiān)測

對高低壓轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行監(jiān)測，以監(jiān)測振動。目前，航空發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測的發(fā)展有兩種類型的監(jiān)測，即總量監(jiān)測和組件監(jiān)測。在組件監(jiān)測中，使用位移、速度和加速度作為監(jiān)測參數(shù)，每一種監(jiān)測參數(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測對象和監(jiān)測要求選擇應(yīng)用程序[2]。

2.2 基于振動信號分析的航空發(fā)動機(jī)故障診斷

分析發(fā)動機(jī)振動信號提取，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可以識別引擎故障，包括轉(zhuǎn)子的不平衡，轉(zhuǎn)子彎曲、停滯、摩擦，轉(zhuǎn)子裂紋不穩(wěn)定、密封、油膜振蕩、轉(zhuǎn)子支持放松，葉片缺陷、齒輪和滾動軸承損壞等等。根據(jù)發(fā)動機(jī)振動信號的振幅和頻率，可以提取發(fā)動機(jī)當(dāng)前健康狀況信息，獲取故障的類型。發(fā)動機(jī)振動基頻更為突出，最大的原因可能是轉(zhuǎn)子不平衡[3]。頻率振動幅度大于基頻的振動幅度。轉(zhuǎn)子彎曲的振動特性基于基本頻率的振動幅度、三次基本頻率的頻率和振幅，以及轉(zhuǎn)子振動頻率的幅值。

2.3 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡分析

跟蹤轉(zhuǎn)子振動監(jiān)測可提供數(shù)據(jù)平衡，AVM系統(tǒng)可獲得振動幅度和相位的不平衡，并通過相應(yīng)的算法計(jì)算平衡權(quán)重比例和平衡位置。監(jiān)測高低壓轉(zhuǎn)子振動監(jiān)測系統(tǒng)的振動，如果低壓轉(zhuǎn)子振動，首先是發(fā)動機(jī)的例行檢查，檢查是否存在其他異常情況，在風(fēng)機(jī)葉片的最終平衡中，降低振動值。轉(zhuǎn)子振動信號的相位測量要求轉(zhuǎn)子在每一個(gè)轉(zhuǎn)彎處轉(zhuǎn)動一個(gè)參考信號。信號被定義為零參考信號。如果轉(zhuǎn)子不平衡、振幅、相位和速度參考信號位置有一定的關(guān)系。轉(zhuǎn)子的粗略測量和轉(zhuǎn)子振動的振幅與相位之間的關(guān)系與平衡系數(shù)有關(guān)[4]。

3 結(jié)論

本文分析了航空發(fā)動機(jī)飛行試驗(yàn)的振動分析，確定了預(yù)處理、振動信號幅度域、時(shí)域分析、算法的具體內(nèi)容及其實(shí)現(xiàn)過程，概述了飛機(jī)發(fā)動機(jī)振動信號的主要應(yīng)用，分析了飛機(jī)發(fā)動機(jī)振動信號的應(yīng)用范圍，并主要介紹了發(fā)動機(jī)振動在線監(jiān)測、故障診斷、動態(tài)平衡的關(guān)鍵技術(shù)。航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和測試為中國航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供了一個(gè)有效的工具。

[1]閻成鴻.航空發(fā)動機(jī)振動信號分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（8）：313-314.

[2]馮健朋.航空發(fā)動機(jī)振動信號應(yīng)用介紹[J].信息系統(tǒng)工程，2015，7（20）：86-87.

[3]尉詢楷，李應(yīng)紅.航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與診斷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].控制工程，2007，7（14）：83-87.

[4]馬建倉.航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子振動信號的早期故障分析[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（2）：276-279.

Application Research on Vibration Signals of Aero Engines

Mou Jingang Li Zhiyuan Gao Haikuo Liu Ben
School of Aeronautical Engineering, Binzhou University, Shandong Binzhou 256600

The paper studies on aeroengines vibration signals and the time domain, and summarizes scope of application of aeroengines vibration signalsin order to better design, improvement and provide a theoretical basis for the manufacturing engine.

aeroengines; vibration signal; fault diagnosis

TN911.7

A

1009-6434（2017）7-0005-02

李志遠(yuǎn)（1983—），男，山東利津人，碩士，講師，從事航空信號處理研究。

濱州學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)（BZXYSYXM201412）（BZXYSYXM201304）。