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        基于LabVIEW的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)

        2018-07-10 00:41:28劉振峰楊偉新
        設(shè)備管理與維修 2018年7期
        關(guān)鍵詞:彈條驅(qū)動程序故障診斷

        劉振峰,楊偉新

        (中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南株洲 412002)

        0 引言

        航空發(fā)動機故障診斷要求做好故障定位準確快速,以方便后續(xù)的維修;另外,故障的診斷還可以對發(fā)動機的實際運行狀態(tài)進行記錄與判斷,方便后續(xù)的繼續(xù)使用,確保發(fā)動機始終處于安全狀態(tài)[1]。

        EMD分解可將信號分解為多個IMF(Intrinsic Mode Function,本征模態(tài)函數(shù))分量與一個趨勢的代數(shù)和,適用于非線性、非平穩(wěn)信號分析?;贓MD理論,以LabVIEW為開發(fā)平臺,設(shè)計并開發(fā)出一套功能完善的航空發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)。

        1 彈支動應(yīng)力測試技術(shù)

        在彈支水平與垂直方向的彈條上粘貼應(yīng)變片。彈支自由端徑向位移與彈支彈條的應(yīng)變量的關(guān)系見式(1)[2]。式中Y為彈支自由端的徑向位移;l為彈條長度;ε為彈支彈條的應(yīng)變量;h為彈條厚度。根據(jù)式(1),彈支自由端徑向位移與彈支彈條的應(yīng)變量成正比。根據(jù)彈條的因變量(動應(yīng)力信號)可監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)子的故障。

        發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生故障時,因受到剛度的非線性、油膜間隙及載荷變化等因素的影響,彈支的動應(yīng)力信號必然呈現(xiàn)出非線性、非平穩(wěn)特性[3],另外,由于測試過程中的噪聲污染,使得通過彈支動應(yīng)力信號獲取的軸心軌跡形狀復(fù)雜,難以辨別出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此,如何從含有背景噪聲且具有非線性、非平穩(wěn)特性的彈支動應(yīng)力信號中提取出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障特征信息,是航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。

        2 EMD基本原理[4]

        EMD(Empirical Mode Decomposition,經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解)分解是將信號分解成多個IMF分量,可表示為式(2)。EMD分解由信號自身的變化決定,是一種自適應(yīng)信號分解方法,適用于分析航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彈支非平穩(wěn)動應(yīng)力信號。

        3 總體設(shè)計

        (1)硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng),采用日本共和電業(yè)應(yīng)變計,型號KFH-1-120-C1-11 H1M3,數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司的PXI-4471B動態(tài)信號采集卡。

        (2)軟件構(gòu)成。軟件的設(shè)計是核心部分,LabVIEW語言擁有高級信號分析子函數(shù)以及各種儀器驅(qū)動程序,用戶只需要將輸入控制、輸出顯示的圖標調(diào)出來,就可以完成參數(shù)的配置,然后再與程序的框圖連接起來,就可以完成對應(yīng)的工作[5]。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理及故障診斷組成。

        4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        (1)數(shù)據(jù)采集模塊。支持工具中,不能缺少數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動程序及編程接口,其能夠提供硬件設(shè)備與應(yīng)用層開發(fā)工具之間的接口,確保應(yīng)用層的開發(fā)工具能被不同的硬件設(shè)備使用[6],NI公司的NI-DAQmx驅(qū)動程序,可以與LabVIEW和NI公司的硬件產(chǎn)品無縫結(jié)合使用,因此成為選用LabVIEW構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時驅(qū)動程序的首選。

        (2)數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊可以對在線信號波形進行動態(tài)顯示,也能將數(shù)據(jù)作為文件存儲,方便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)分析給出時域與頻域波形,界面主要有數(shù)據(jù)采集時的日期、時間及經(jīng)過的時間,另外給出一些參數(shù)設(shè)置,如分辨率、窗函數(shù)、坐標軸顯示方式等,此外還顯示一些主要特征參數(shù),如峰值、均值、有效值等。

        (3)數(shù)據(jù)EMD處理。在Matlad的環(huán)境下實現(xiàn)EMD的使用,可將Matlab與LabVIEW結(jié)合進行描述[2]。文本語言的可維護性與易讀性比較差,影響軟件后續(xù)的調(diào)試。針對EMD工具箱缺少EMD算法問題,對LabVIEW進行二次開發(fā)[7],EMD分解方法部分程序框圖如圖1所示。

        5 應(yīng)用實例

        某型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子振動信號通過安裝在發(fā)動子轉(zhuǎn)子柔性支承-彈支彈條上的應(yīng)變片采集[3],采樣頻率10 kHz。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速42 770 r/min。從時域圖(圖2)和頻譜圖(圖3)很難判斷轉(zhuǎn)子出現(xiàn)何種故障。

        直接進行故障信號EMD分解,基于其各個分量信號特性,通過4個分量的分解,采樣點數(shù)為1024.其中,信號最高頻成分為INF1呈現(xiàn)出來的信息。EMD分解如圖4所示。

        圖1 EMD分解程序框圖

        圖2 時域波形圖

        圖3 頻域波形圖

        在主頻f=712.89 Hz(折合轉(zhuǎn)速為42 770 r/min)左右兩邊分別出現(xiàn)f1=628.66 Hz和f2=797.12 Hz的邊頻帶。又因f-f1=f2-f=84.23 Hz,根據(jù)文獻[8],可以判斷轉(zhuǎn)子的故障為動靜碰摩故障。該實例驗證了轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)的有效性。

        6 結(jié)語

        基于LabVIEW的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷,目前主要是將計算機軟硬件技術(shù)、非平穩(wěn)信息處理技術(shù)以及應(yīng)變片測試技術(shù)進行綜合運用,然后在齒輪箱故障診斷中直接的使用虛擬儀器技術(shù),可以滿足振動信號的采集與處理要求,進而將故障診斷的精度提高,縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,降低硬件維護費用。通過實驗證明,基于這種方式的故障診斷系統(tǒng),工作穩(wěn)定可靠,能滿足在線與離線的故障分析,可以快速準確地診斷發(fā)動機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的故障。

        圖4 故障信號EMD分解圖

        [1]應(yīng)勇,王仲生.非平穩(wěn)信號特征提取在航空發(fā)動機故障診斷中的應(yīng)用[J].計測技術(shù),2006,27(2):7-10.

        [2]彭宇寧,朱后.利用DLL技術(shù)實現(xiàn)LabVIEW和Matlab混合編程[J].計算機與現(xiàn)代化,2007(8):93-95.

        [3]吳桂嬌,陳運西,王平,丁建雄.高速轉(zhuǎn)子彈支振動應(yīng)變測量技術(shù)[C].中國航空學(xué)會第八屆小發(fā)動機學(xué)術(shù)會議,2009.

        [4]Huang N E.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proc R Soc Lond A,1988,454:903-995.

        [5]蘇敏,王勇,何惜港,等.基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)[J].軸承,2010(9):41-44.

        [6]張桐,陳國順,王正林著.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

        [7]楊偉新,江親瑜,王珍,郭方.EMD與高階累積量在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用研究[J].噪聲與振動控制,2010,31(5):142-145.

        [8]航空發(fā)動機設(shè)計手冊(第19分冊)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2000.

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