葛向東， 張東明， 高強

（沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

軍用發(fā)動機為滿足高速、高效率、高機動性戰(zhàn)機的需求，總體上向著高推重比/功重比的方向發(fā)展，各種減重增荷措施的使用（如空心高負荷葉片、薄壁和細長結(jié)構(gòu)等），加之氣動/噪聲載荷增加，工作環(huán)境惡化等因素，發(fā)動機更加易振，結(jié)構(gòu)也更易產(chǎn)生疲勞損傷，縮短了翻修周期（TBO），增加了平均故障間隔時間（MTBF）和維修費用，給高性能航空發(fā)動機研制和安全可靠使用帶來更大的挑戰(zhàn)。

作為影響發(fā)動機安全可靠性的直接因素，整機振動異常是長期制約發(fā)動機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一?？v觀國內(nèi)外，所有發(fā)動機都無一例外地發(fā)生過振動故障，是貫穿航空發(fā)動機全壽命周期的共性問題，也是影響武器裝備交付和保持武器裝備完好的關(guān)鍵問題。但對于我國，發(fā)動機整機振動問題則更為突出，成為嚴重制約我軍武器裝備可持續(xù)發(fā)展的重大現(xiàn)實問題。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，測控系統(tǒng)也得到了迅猛發(fā)展，特別是以太網(wǎng)技術(shù)進入工業(yè)控制領(lǐng)域，開辟了工業(yè)控制的新天地。以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)企業(yè)信息化系統(tǒng)中的管理層和監(jiān)控層已得到了廣泛應(yīng)用，并將逐步成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。作為工業(yè)皇冠明珠的航空發(fā)動機依然采用效率低下的整機振動人工監(jiān)控報警模式，顯然落后于科學(xué)技術(shù)進步腳步，隨著整機試驗臺數(shù)量能力的提高，為改善整機振動測試人員緊張局面，集先進自動化及網(wǎng)絡(luò)化資源優(yōu)勢特點，開發(fā)了整機振動參數(shù)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人值守、時間同步、及時性等特色功能。

1 整體方案設(shè)計

系統(tǒng)由振動傳感器、電荷放大器、動態(tài)信號采集器、工控交換機、動態(tài)信號采集軟件及計算機、振動數(shù)字信號提取軟件、穩(wěn)態(tài)采集振動數(shù)字信號接收軟件及計算機、上位機、投影屏等組成。

測振傳感器選用壓電式加速度傳感器，其主要性能指標為：靈敏度為50 pC/g±5%、頻率響應(yīng)為10～2500 Hz、最大可測加速度為1000 g、工作溫度為-54～482℃濕度密閉式、耐沖擊為2000 g、殼體材料為鉻鎳鐵合金。

電荷放大器選用差分調(diào)理式，其主要性能指標為：通道數(shù)為4通道/臺、輸入方式為差動輸入、輸入阻抗為50 kΩ、AC帶通速度濾波帶寬為10～2000 Hz（不平坦度不大于±0.2 dB）、DC帶通速度濾波帶寬為第一、二套每通道均為50～250 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB）；第三套前兩個通道為20～70 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB），后兩個通道為50～250 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB）、最大輸入電荷量為20000 pC、量程為0～100 mm/s（RMS值）、精度為±5%、輸出信號為電源及輸出口4～20 mA DC診斷口0～5V AC、可靠性為MTBF≥20 000 h、空氣溫度為-10℃～＋65℃、防護等級為IP65、振動（最大峰值）為6.0 g（5 ～2000 Hz）。

動態(tài)信號分析儀主要性能指標：頻率范圍為DC～25.6 kHz、A/D轉(zhuǎn)換為24位、輸入電壓范圍為8檔量程：從7.071 mVpeak至7.07 Vpeak，10 dB一檔，+12 Vpeak、輸入信號地耦合為浮地或單端（接地到機殼）、輸入阻抗為CCLD＞100 kΩ、絕對最大輸入為±35Vpeak、高通濾波器為DC（fL＝0）0.7 Hz，高通濾波器7 Hz數(shù)字高通濾波器，22.4 Hz高通濾波器、絕對幅值精度，1 kHz，1Vpeak為±0.05 dB，典型為±0.01 dB、衰減器線性度@1k Hz為±0.05 dB,典型為±0.005 dB、通道匹配最大增益差為0.2 dB、絕對最大共模電壓為±5 Vpeak不損壞±3 Vpeak不削波如果共模電壓超過了最大值，為了防止損壞，必須采取措施限制信號地的電流，最大值為100 mA，此措施將使電壓限制在聲明的最大“無損”共模電壓之內(nèi)、ICP/CCLD加速度計供電為4 mA，24 V電源。

如果有任何一個ICP/CCLD耦合通道和其它的通道并行，那么供電必須是ICP/CCLD耦合的，否則信號可能被并行的通道削波、過載監(jiān)測為CCLD過濾：監(jiān)測電纜線短路或斷路+檢測CCLD傳感器工作點錯誤，共模電壓過載，信號過載。

圖1 系統(tǒng)工作流程原理圖

當發(fā)動機振動傳感器感受到機械振動時，傳感器內(nèi)部壓電晶體會根據(jù)感受到加速度大小產(chǎn)生線性對應(yīng)的電荷量，通過耐高溫電纜將電荷信號傳輸至電荷放大器，放大器根據(jù)感受電荷量的大小通過內(nèi)部運算放大電路進行放大、濾波產(chǎn)生電壓信號，進而通過電纜輸送給后端數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行A/D轉(zhuǎn)換，完成采集、記錄、分析。隨后通過二次開發(fā)軟件進行振動特征量的提取，采用UDP協(xié)議將各測點振動數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位計算機，每個數(shù)據(jù)包共計80個字節(jié)，為單精度浮點型，可實時傳輸20個振動測點數(shù)據(jù)。計算機接收數(shù)據(jù)包后按約定測點順序及工程單位完成振動值實時解調(diào)、記錄與顯示功能?？爻绦虬锤餍吞柊l(fā)動機對應(yīng)振動限制值情況進行實時監(jiān)控，振動超限自動報警。

圖2 振動數(shù)據(jù)提取

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用情況

振動參數(shù)提取特征值為轉(zhuǎn)速基頻跟蹤振動值，需在動態(tài)測試軟件中設(shè)置order函數(shù)組，完成實時階次振動值計算。用編譯的二次軟件提取order函數(shù)組中各測點振動值。待連接上位機通訊正常后，計算機可實時對提取的振動特征值進行發(fā)送。由于階次分析后，得到的位移和速度是公制單位的有效值，轉(zhuǎn)換為英制單位，需要乘以某個參數(shù)，位移需要乘111338.3600得到mil工程單位，速度需要乘55.6690得到in/s工程單位，限定值單位為mm/s需要乘以1414。

通訊系統(tǒng)軟件項配置為Working Name設(shè)置為Working；RecorderName設(shè)置為Recorder，數(shù)據(jù)記錄目錄是用來選擇保存振動數(shù)據(jù)的位置，IP地址和端口號根據(jù)實際情況進行配置。

圖3 振動數(shù)據(jù)接收顯示

圖4 振動變化趨勢圖

發(fā)送數(shù)據(jù)計算機按指定上位機的IP地址和約定端口號完成UDP協(xié)議下數(shù)據(jù)交換，然后據(jù)相關(guān)型號發(fā)動機的工程單位及物理量綱完成數(shù)據(jù)的實時解調(diào)及顯示，如振動大于設(shè)定限制值將給予操作人員提示。

試驗結(jié)束后，依靠過渡態(tài)數(shù)據(jù)回放數(shù)據(jù)軟件可快速調(diào)取振動數(shù)據(jù)，顯示振動變化趨勢，同時可對比其他熱工參數(shù)與發(fā)動機振動響應(yīng)變化規(guī)律，改變使用原動態(tài)分析軟件回放動態(tài)數(shù)據(jù)耗時長、效率低等缺點，極大地改善數(shù)據(jù)分析效率。同時更好地解決了振動參數(shù)與其他熱工參數(shù)數(shù)據(jù)時間同步問題，為解決振動故障診斷提供了新維度的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 注意事項

數(shù)據(jù)通訊軟件設(shè)置中的數(shù)據(jù)目錄和模板的鏈接都不要含有中文，測試模板名稱也不要含有中文。在試車過程中數(shù)據(jù)通訊軟件和模板不要最小化，堆疊放置即可。模板設(shè)置過程中buffer不要超過600 s，以免長時間運行軟件占用緩存過多導(dǎo)致死機。在紅燈界面點擊連接設(shè)備進入綠燈界面后，要確定模板打開狀態(tài)，可手動點擊刷新和采集，也可等待模板自動打開（1~2 min），確定模板完全打開后，點擊開始發(fā)送。在試車過程中，如果軟件死機，當recorder中start觸發(fā)為mAnual1時，重啟軟件后點擊手動觸發(fā)，當start觸發(fā)為trigger3時，更改觸發(fā)為 mAnual1，重新發(fā)送。每天開始前應(yīng)盡快打開數(shù)據(jù)通訊軟件完成數(shù)據(jù)發(fā)送，以免試車前軟件出現(xiàn)問題影響數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 振動通訊異常提示

圖6 振動超限提示

3 突發(fā)情況及處理辦法

3.1 通訊異常

因發(fā)動機試驗過程中，通訊軟件為實時接收數(shù)據(jù)包，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷導(dǎo)致無法連續(xù)接收振動數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)中斷判據(jù)是以“振動腳印”形式完成振動數(shù)據(jù)包的時時累計，3 s內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)量不發(fā)生疊加則判定為振動信號通訊出現(xiàn)異常，上位機會在顯示窗口適當位置提示“振動通訊異?！弊謽?，發(fā)動機降至慢車，隨后通知跟試人員進行問題排查。

圖7 設(shè)備故障類型

3.2 振動超限

振動數(shù)據(jù)在傳輸過程中，上位機接收到的任意時刻振動數(shù)據(jù)默認都是發(fā)動機真實機械振動，如出現(xiàn)振動超限情況，會在顯示窗口適當位置提示“振動超限”字樣，發(fā)動機降至慢車，隨后通知跟試人員進行問題排查，主要確認振動超限現(xiàn)象是設(shè)備故障還是發(fā)動機機械振動原因，最后給出專業(yè)意見。

3.3 人員配置情況

整機振動測試人員保證每個試車臺片區(qū)都有整機振動測試專業(yè)人員，出現(xiàn)問題及時奔赴現(xiàn)場解決，同時各跟試人員每隔2 h對試驗發(fā)動機振動測試系統(tǒng)進行巡檢，確認系統(tǒng)正常工作。發(fā)動機振動超限、發(fā)動機上臺前5次試驗、軟件通訊異常、需整機振動測試人員跟試，其余情況均由測控系統(tǒng)完成振動參數(shù)自動監(jiān)控報警。

4 結(jié)語

在現(xiàn)有振動測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計了航空發(fā)動機整機振動監(jiān)控參數(shù)自動報警系統(tǒng)，由測控程序完成振動超限自動報警，擺脫原一崗一人振動超限手動報警模，實現(xiàn)了無人值守，提高了整機振動監(jiān)控效率。

同時此系統(tǒng)解決了振動異常時振動參數(shù)與其它參數(shù)時間同步問題，為更好地發(fā)現(xiàn)振動故障發(fā)生時與其他相關(guān)熱工相關(guān)參數(shù)聯(lián)動規(guī)律性提供了數(shù)據(jù)支撐。

測控程序完成振動超限時自動報警，可明顯提高振動超限報警及時性，可更好地保障發(fā)動機機械運行安全。

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