陳清陽

摘 要：航空發(fā)動機是高速旋轉的機械裝置，其通常在高溫、高壓的惡劣條件下工作，整機振動故障頻率高，發(fā)動機維修成本大，采取有效控制手段來減少發(fā)動機振動故障成為當前發(fā)動機研究工作的重點。頻譜分析是發(fā)動機故障診斷中使用廣泛的信號處理方法，可對振動信號進行頻譜分析，小波包和諧波小波具有很好的細化分辨能力和很高的頻率分辨率能力。運用小波包和諧波小波對振動信號進行頻譜分析，綜合對比分析表明，諧波小波變換具有任意劃分數(shù)據(jù)段的能力，小波包具有運算速度快的優(yōu)點。

關鍵詞：航空發(fā)動機;振動故障;維修技術

中圖分類號：V263.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0054-03

Abstract： An aero engine is a mechanical device that rotates at high speed， and it usually works under severe conditions of high temperature and high pressure， the vibration frequency of the whole machine is high， and the engine maintenance cost is large， taking effective control measures to reduce engine vibration failure has become the focus of current engine research work. Spectrum analysis is a widely used signal processing method in engine fault diagnosis， which can perform spectrum analysis on vibration signals， wavelet packets and harmonic wavelets have a very fine resolution and high frequency resolution. Wavelet packet and harmonic wavelet is used to analyze the frequency spectrum of the vibration signal， comprehensive comparative analysis shows that the harmonic wavelet transform has the ability to arbitrarily divide the data segment， and the wavelet packet has the advantage of fast operation speed.

Keywords： aero engine;vibration failure;maintenance technology

航空發(fā)動機工作條件復雜，研制周期長，關于航空發(fā)動機整機振動國際性難題，我國相關研究成果較少，國內(nèi)具備發(fā)動機整機振動試驗條件的設計單位和生產(chǎn)單位、一些高校針對發(fā)動機工作中影響振動的關鍵部件開展研究。由于小波具有很好的始頻域分割能力，有學者將諧波小波應用到振動信號分析中，克服了小波包失真的缺點。國家某重點型號發(fā)動機經(jīng)多年攻關設計定型，承擔我國航空發(fā)動機發(fā)展的使命。發(fā)動機生產(chǎn)中，整機振動問題突出，航空發(fā)動機裝配后續(xù)通過試車確定是否可出廠，發(fā)動機試車中經(jīng)常出現(xiàn)振動故障，當前有必要對發(fā)動機生產(chǎn)中振動問題進行技術研究，設計振動數(shù)據(jù)庫及故障診斷技術，為發(fā)動機排振工作提供技術支持。

1 航空發(fā)動機整機振動故障機理

航空發(fā)動機是無限自由度振動系統(tǒng)，各種激勵振動影響發(fā)動機整機振動，由于發(fā)動機結構復雜，安全性能要求更高。信號是信息的載體，需要轉化為傳輸媒質能接受的信號形式，振動信號分為連續(xù)信號與離散信號，振動是動態(tài)量，航空發(fā)動機是復雜的機械裝置，其振動信號形式非簡諧振動[1]。

航空發(fā)動機振動分析不能脫離高低壓轉子轉頻，通過對振動信號進行傅里葉變換，能將復雜振動信號頻率分量幅值進行簡單處理。頻譜分析為故障診斷的基本工具，人們可以采用小波分析法進行頻譜分析，確切地診斷故障類型。不同故障對應的頻率特征不同，多種故障頻率具有很強的相似性。將振動信號對時間求導能得到振動速度與加速度。振動位移與加速度信號頻率相同，振動速度幅值為位移和頻率平方乘積。振動速度相位滯后振動加速度相位90°，運用性質不同的振動信號診斷故障，故障相同時表現(xiàn)出不同特征。

故障診斷建立在深入的特征提取基礎上，通過檢測得到機械運行信號，包含系統(tǒng)狀態(tài)信息。人們需要采用多種手段對信號進行處理，選擇對工況狀態(tài)敏感的特征參量進行發(fā)動機設備故障診斷，判斷特征分析結果是否可靠，特征分析方法包括信息處理技術手段，如數(shù)字信號處理、圖像識別等。信號時頻域思路是設計時間與頻率的聯(lián)合函數(shù)，頻域分析方法提供時間頻域率聯(lián)合分布信息。振動在發(fā)動機故障中占很大比重，振動反映設備監(jiān)控狀況，發(fā)動機等旋轉機械正常運行使振動值較小，振動值變大說明設備出現(xiàn)故障。

2 基于小波的發(fā)動機整機振動故障診斷技術

由于故障發(fā)生引起信號頻率結構變化，為了解信號動態(tài)行為，人們需要掌握頻域信息。頻譜分析是將復雜時間歷程波形經(jīng)頻域變換分解為諧波分量進行研究，傳統(tǒng)基于短時傅里葉變換的振動數(shù)據(jù)處理存在時頻窗寬固定的缺點，20世紀90年代以來出現(xiàn)新型數(shù)據(jù)處理方法，小波變換法可調(diào)整時頻窗結構[2]。

采用加速度傳感器對渦扇發(fā)動機各部位進行振動信號采集，測點選擇必須代表發(fā)動機整體振動狀態(tài)。頻域和時域構成觀察信號方式，信號頻域表示信號在頻域的特征，F(xiàn)FT是整體比變換，功率不能顯示某種頻率分量出現(xiàn)變化，大部分信號非平穩(wěn)，信號在時域的全局特性不夠，小波是有效的時域分析方法。小波包變換需要根據(jù)振動信號特點選取小波基，選擇不同小波基對信號處理，得到的結果存在很大差別。常見小波基函數(shù)不能應用振動信號分析處理。選擇支集長度在5～9內(nèi)的小波，支集過長會產(chǎn)生邊界問題，過短不利于信號能量集中。

小波分析中廣泛使用的Daubechies類小波為實小波，通過構造相應正交濾波器{hk}實現(xiàn)信號小波分解，其他類型小波基函數(shù)被構造出來進行深入研究。諧波小波是復小波，其伸縮與平移構成L2（R）空間規(guī)范正交基，分解算法通過信號FFT實現(xiàn)，算法速度快，具有很好的工程應用價值。諧波小波對稱性使其在頻域上收斂性較好，而諧波小波具有無限長時域分布特性，可對諧波小波加窗。應用諧波小波變換對發(fā)動機整機振動故障診斷，基于諧波小波變換，發(fā)動機整機振動故障特征頻率可精確表示[3]。

發(fā)動機慢車狀態(tài)前垂測點時域圖與頻譜圖如圖1所示。首先分析前中后垂與中水測點振動信號，發(fā)動機由慢車到最大狀態(tài)試車，為確定故障類型，根據(jù)諧波小波變換模型，任意輸入初始化參數(shù)，對各測點進行細化分析。根據(jù)參數(shù)選擇試驗，確定合適的參數(shù)。時頻圖根據(jù)選擇參數(shù)進行諧波小波變換，得出系數(shù)。600～1 000 Hz內(nèi)顏色較暖，前垂測點在10～15 s出現(xiàn)嚴重故障。400～600 Hz內(nèi)顏色較暖，推測后垂測點在5～15 s出現(xiàn)嚴重故障。200～1 000 Hz內(nèi)顏色較暖，中垂測點在5～20 s出現(xiàn)嚴重故障。200 Hz左右顏色較暖，中水測點在12 s左右出現(xiàn)故障，推測中水測點故障不明顯。

為確定故障類型，人們需要利用測點諧波小波變換系數(shù)進行頻譜分析。發(fā)動機由慢車到降速狀態(tài)試車時，前中后垂與中水測點振動異常，諧波小波變換時頻分析中選擇數(shù)據(jù)段為2 s，前垂測點頻譜圖中幅值較大，頻率出現(xiàn)在232.6 Hz與127.25 Hz處，根據(jù)故障特征頻率對應特征，確定前垂測點振動由于高壓轉子不平衡所致。幅值8 024 mm/m2為高低壓轉子組合頻率。由于存在倍頻成分，發(fā)動機可能存在軸承松動故障。小波包在每層分解對原始信號一分為二，把信號分成高低頻段，造成有的故障診斷不出來，小波包分解在小波基選擇上不適合，只能在探索中找到合適的小波基才能準確診斷發(fā)動機振動故障，小波存在頻移缺點，諧波小波能準確診斷故障類型，但運行時間較長。

3 發(fā)動機整機振動故障診斷系統(tǒng)設計開發(fā)

Visual Basic是Microsoft公司研究的快捷設計界面，用戶界面可使客戶簡單進行界面設計，利用Visual Basic數(shù)據(jù)庫連接功能與Oracle數(shù)據(jù)庫連接。Oracle數(shù)據(jù)庫是關系型數(shù)據(jù)庫，支持所有操作系統(tǒng)，具有參照完整性的優(yōu)點，使用SQL標準數(shù)據(jù)庫語言編程，具有數(shù)據(jù)庫操作等優(yōu)點，發(fā)動機整機振動數(shù)據(jù)需要存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫。

Matlab是集算法開發(fā)與數(shù)值計算的數(shù)學軟件，其指令表達式與工程中常用形式相似，可方便實現(xiàn)用戶所需計算功能，求解問題方便，前臺用戶界面用Visual Basic編寫，MATLAB完成后臺計算任務。利用Visual Basic訪問Oracle數(shù)據(jù)庫方法包括DAO、ADO、OO4O，利用使用方便、可訪問不同數(shù)據(jù)源的ADO訪問數(shù)據(jù)庫。利用ODBC法將MATLAB與Oracle數(shù)據(jù)庫連接。MATLAB運用ODBC建立數(shù)據(jù)源，MATLAB運用運算功能進行數(shù)據(jù)處理，將結果傳遞給VB顯示。MATLAB提供與C/C++語言接口，可通過ActiveX方式實現(xiàn)與Visual Basic混合編程。

Windows平臺可使用MATLAB作為應用程序，MATLAB可執(zhí)行語句進行運算等處理工作。需求分析是指數(shù)據(jù)庫設計前了解用戶需求，包括數(shù)據(jù)流等數(shù)據(jù)處理工作，需求分析可反映用戶要求，影響設計結果準確性。發(fā)動機整機振動故障診斷系統(tǒng)的目的是收集和讀取存儲在數(shù)據(jù)庫中的振動數(shù)據(jù)，MATLAB進行數(shù)據(jù)計算時連接Oracle數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)故障診斷算法后將結果傳遞給Visual Basic。系統(tǒng)添加用戶登錄等功能，對數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)顯示等操作。

設計發(fā)動機整機振動故障診斷系統(tǒng)完成Visual Basic與Oracle數(shù)據(jù)庫的連接，MATLAB作為算法實現(xiàn)工具，用MATLAB調(diào)用存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，將運算結果傳遞給Visual Basic進行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲工具，數(shù)據(jù)庫設計關系到運算診斷效率，數(shù)據(jù)設計前要了解需求，確定整體設計模塊結構，設計數(shù)據(jù)庫名稱為Vibration，可在OEM網(wǎng)頁形式編程，輸入數(shù)據(jù)庫用戶名，點擊登錄，使用SQL語言建立用戶注冊信息表。用戶管理模塊包括添加用戶模塊，登錄模塊進入主系統(tǒng)前進入登錄界面，發(fā)動機整機振動故障診斷系統(tǒng)確定用戶名是否正確。數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫提取振動數(shù)據(jù)顯示，將結果傳遞給Visual Basic中。

4 結語

本文對航空發(fā)動機整機振動進行故障診斷，小波時頻特性可以方便對振動信號進行時頻分析，根據(jù)故障特征進行診斷，運用小波包進行振動信號分析，研究結果表明，小波包具有信息點易丟失、邊界失真效應等劣勢，故障頻率與實際有誤差。諧波小波能檢測振動信號中的微弱信息，是諧波小波盒形特性的體現(xiàn)，由于發(fā)動機整機振動信號原始數(shù)據(jù)大，運算時間較小波包法長，應用諧波小波能細化頻率段，輸入分析頻率小可減少頻率誤差，諧波小波變換法適合航空發(fā)動機整機振動故障診斷。設計發(fā)動機整機振動故障診斷系統(tǒng)，可以提高工作效率，方便發(fā)動機整機振動故障診斷。

參考文獻：

[1]金艷.某型航空發(fā)動機整機振動故障診斷技術研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2012.

[2]王樹蘭.某航空發(fā)動機振動故障診斷[D].長沙：湖南大學，2011.

[3]費成巍.基于信息融合的航空發(fā)動機整機振動故障診斷技術研究[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學院，2010.