單添敏 王景霖 曹亮 李勝男 林澤力 沈勇

摘要：為了克服直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）無(wú)法獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)從而無(wú)法進(jìn)行時(shí)域同步平均的問(wèn)題，通過(guò)在額定頻率一定區(qū)間內(nèi)進(jìn)行極值搜索獲取目標(biāo)周期頻率，并以目標(biāo)周期頻率為中心對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波，獲得目標(biāo)周期頻率的模擬正弦波，從而開(kāi)展無(wú)轉(zhuǎn)速脈沖的時(shí)域同步平均，提取直升機(jī)齒輪的特征參數(shù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證無(wú)脈沖時(shí)域同步平均齒輪特征提取方法的有效性，分別構(gòu)建特征參數(shù)值比和有效信號(hào)占比率指標(biāo)，并基于實(shí)際飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)頻和基于嚙合頻率的無(wú)脈沖時(shí)域同步平均特征提取方法的有效性，從而為提升直升機(jī)HUMS系統(tǒng)對(duì)齒輪的監(jiān)測(cè)診斷能力提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：時(shí)域同步平均；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；健康管理；帶通濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.003

直升機(jī)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是直升機(jī)的關(guān)鍵核心部件，承擔(dān)了直升機(jī)動(dòng)力的傳遞且沒(méi)有冗余備份，其健康運(yùn)行將直接關(guān)系直升機(jī)飛行安全[1]。但由于直升機(jī)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長(zhǎng)期處于高速、交變重載的惡劣環(huán)境下[2]，較直升機(jī)其他部件更易產(chǎn)生故障和損壞[3]。因此，為提升直升機(jī)飛行安全，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生，就必須對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行全壽命的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理[4]。

直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）作為保障直升機(jī)飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)[5]，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是其關(guān)注的重點(diǎn)[6]。作為健康管理的前提，能否從振動(dòng)信號(hào)中準(zhǔn)確有效地提取出齒輪健康狀態(tài)表征特征參數(shù)，直接制約了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的準(zhǔn)確性，也是HUMS系統(tǒng)具有良好健康管理能力的保證[7]?；诿}沖信號(hào)的時(shí)域同步平均方法（TSA）是有效的振動(dòng)特征提取方法[8]，該方法可有效消除復(fù)雜周期信號(hào)的非目標(biāo)周期信號(hào)和隨機(jī)噪聲的干擾，從復(fù)雜系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)中提取出與目標(biāo)周期信號(hào)相關(guān)聯(lián)的周期信號(hào)，得到了廣泛應(yīng)用，尤其適合于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征提取[9]。

1時(shí)域同步平均方法原理

時(shí)域同步平均是從混有噪聲干擾的信號(hào)中提取目標(biāo)周期信號(hào)的有效方法，是利用與旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速同步的脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)振動(dòng)信號(hào)的整周期采樣，然后將各次采到的整周期振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行求和平均，導(dǎo)致在頻域上與目標(biāo)周期的頻率同步的頻率成分（基波與高階諧波）將進(jìn)行疊加，而與目標(biāo)周期的頻率不同步的非目標(biāo)周期信號(hào)以及隨機(jī)噪聲信號(hào)將隨著平均次數(shù)的增加而不斷趨向于零，從而增大目標(biāo)周期信號(hào)在振動(dòng)信號(hào)中的比例，提升信號(hào)信噪比。所以應(yīng)用時(shí)域同步平均可以從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中分離出目標(biāo)周期信號(hào)及其各階諧波的頻率成分[10]。

（1）基于脈沖信號(hào)截取整周期信號(hào)

圖2是一個(gè)振動(dòng)信號(hào)，以及與振動(dòng)信號(hào)同步采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)。按照轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)中的峰值對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行截取，由于在圖示的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)之中有4個(gè)峰值，因此可以從原始振動(dòng)信號(hào)中截取出三段整周期的振動(dòng)信號(hào)，如圖3所示。

（2）對(duì)各段整周期信號(hào)進(jìn)行重采樣

如圖4所示，由于直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中輸入軸的轉(zhuǎn)速會(huì)存在波動(dòng)，導(dǎo)致每一段整周期信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)不同，因此需要將振動(dòng)信號(hào)按照統(tǒng)一的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行重采樣，從而保證每一段整周期振動(dòng)信號(hào)的點(diǎn)數(shù)一致，并按照前后順序一一對(duì)應(yīng)。

（3）對(duì)各段重采樣信號(hào)疊加后取平均

按照時(shí)域同步平均的公式將三段振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行疊加，并求取平均值，從而得到最終的時(shí)域同步平均信號(hào)，如圖5所示。

對(duì)比時(shí)域同步平均處理前后的信號(hào)，可以看出，經(jīng)過(guò)時(shí)域同步平均處理之后，振動(dòng)信號(hào)中包含的目標(biāo)周期信號(hào)得到了保留，而需要濾除的噪聲和其他信號(hào)則得到了抑制。

時(shí)域同步平均法應(yīng)用于齒輪故障特征提取時(shí)，按照目標(biāo)齒輪所在軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均，由于齒輪的嚙合頻率是所在軸轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍（倍數(shù)為齒輪的齒數(shù)），其信號(hào)經(jīng)時(shí)域同步平均后仍能得到保留，因此可從總的振動(dòng)信號(hào)中提取我們感興趣的那對(duì)嚙合齒輪的振動(dòng)信號(hào)，而把其他對(duì)嚙合齒輪的振動(dòng)信號(hào)、其他部件的振動(dòng)信號(hào)及噪聲信號(hào)都一概除去，從而大大提高信號(hào)的信噪比。

2無(wú)脈沖時(shí)域同步平均

時(shí)域同步平均要求實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)采集與旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速同步的參考脈沖信號(hào)，但由于直升機(jī)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包裹在殼體之中，轉(zhuǎn)速傳感器的安裝十分困難，很難獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等周期切割。由于直升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法大范圍改變輸出轉(zhuǎn)速，其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于其額定轉(zhuǎn)速周?chē)?，但由于受?fù)載變化的影響，轉(zhuǎn)速會(huì)略有波動(dòng)，因此可在目標(biāo)頻率的額定頻率值附近搜索極值獲取其實(shí)際頻率值，并通過(guò)以實(shí)際頻率值為中心的窄帶寬帶通濾波[11]得到該頻率的模擬正弦信號(hào)，從而模擬得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均處理。

2.1目標(biāo)頻率模擬正弦波生成

圖6是某型直升機(jī)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)中截取的主減速器尾輸出處的2s振動(dòng)信號(hào)，圖7為其頻譜圖。其監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

在頻譜中的2332.4Hz附近搜索局部極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率為2329Hz，即目標(biāo)齒輪的實(shí)際嚙合頻率為2329Hz，實(shí)際轉(zhuǎn)頻為68.5Hz。分別以實(shí)際轉(zhuǎn)頻和實(shí)際嚙合頻率為中心頻率對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行窄帶濾波，可得到轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率的模擬正弦波，如圖8、圖9所示。

2.2基于模擬正弦波的時(shí)域同步平均

基于模擬正弦波，即可對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行等周期截取，其中基于轉(zhuǎn)頻模擬正弦波以單周期截取，基于嚙合頻率模擬正弦波以34周期截取。對(duì)截取的周期信號(hào)進(jìn)行1024點(diǎn)重采樣后進(jìn)行時(shí)域同步平均，獲得的時(shí)域同步平均信號(hào)如圖10～圖13所示。

3時(shí)域同步平均有效性驗(yàn)證評(píng)估

3.1有效性評(píng)估指標(biāo)

為驗(yàn)證時(shí)域同步平均的有效性，分別基于以下兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行有效性評(píng)估。

（1）特征參數(shù)值比

分別計(jì)算原始信號(hào)和時(shí)域同步平均信號(hào)有效信號(hào)占比率，若時(shí)域同步信號(hào)有效信號(hào)占比率遠(yuǎn)大于原始信號(hào)占比率，則證明時(shí)域同步平均方法有較強(qiáng)的提升信噪比能力。

3.2基于飛行數(shù)據(jù)的有效性驗(yàn)證評(píng)估

為驗(yàn)證無(wú)轉(zhuǎn)速脈沖時(shí)域同步平均方法的有效性，從某型直升機(jī)飛行數(shù)據(jù)的主減速器尾輸出振動(dòng)信號(hào)中，隨機(jī)選取140包樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分別驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)頻模擬正弦波的時(shí)域同步平均信號(hào)和基于嚙合頻率模擬正弦波的時(shí)域同步平均信號(hào)特征提取的有效性，針對(duì)上述兩類(lèi)信號(hào)分別提取齒輪特征參數(shù)：一階軸頻、二階軸頻、三階軸頻、一階嚙合頻率、二階嚙合頻率、三階嚙合頻率[12]，結(jié)果如圖14～圖19所示。

計(jì)算得到樣本特征參數(shù)值比的最小值、最大值和均值見(jiàn)表2。其中基于轉(zhuǎn)頻的時(shí)域同步平均，使得一、二、三階轉(zhuǎn)頻幅值的特征參數(shù)值比的樣本均值分別為4.643、2.420、8.009，一、二、三階嚙合頻率幅值的特征參數(shù)值比的樣本均值分別為0.086、0.14、0.225；基于嚙合頻率的時(shí)域同步平均，使得一、二、三階轉(zhuǎn)頻幅值的特征參數(shù)值比的樣本均值分別為1.117、1.196、1.401，一、二、三階嚙合頻率幅值的特征參數(shù)值比的樣本均值分別為1.538、2.886、3.022。

計(jì)算得到的樣本有效信號(hào)占比率指標(biāo)的樣本最大值、最小值和平均值見(jiàn)表3。其中原始信號(hào)有效信號(hào)占比率的樣本平均值為0.55%；基于轉(zhuǎn)頻的時(shí)域同步平均信號(hào)有效信號(hào)占比率的樣本平均值為2.02%，為原始信號(hào)的9.31倍；基于嚙合頻率的時(shí)域同步平均信號(hào)的有效信號(hào)占比率的樣本平均值為38.41%，為原始信號(hào)的69.88倍。

4結(jié)論

通過(guò)上述直升機(jī)實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的實(shí)例分析，基于轉(zhuǎn)頻的無(wú)脈沖時(shí)域同步平均方法雖然增強(qiáng)了各階轉(zhuǎn)頻的幅值，但使得各階嚙合頻率的幅值均有大幅度衰減，同時(shí)有效信號(hào)占比率指標(biāo)僅提升了8倍，增幅較??；而基于嚙合頻率的無(wú)脈沖時(shí)域同步平均方法，在小幅增強(qiáng)各階轉(zhuǎn)頻幅值的基礎(chǔ)上，對(duì)各階嚙合頻率幅值有較為明顯的增強(qiáng)，同時(shí)有效信號(hào)占比率指標(biāo)提升近70倍，有著極為顯著的增幅。因此，在采用無(wú)脈沖時(shí)域同步平均方法進(jìn)行直升機(jī)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征提取時(shí)，應(yīng)以實(shí)際嚙合頻率為中心進(jìn)行窄帶濾波，進(jìn)而開(kāi)展基于時(shí)域同步平均的特征提取。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡(jiǎn)介

單添敏（1987-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：航空故障診斷與健康管理。

Tel：15618636010

E-mail：shantm_633@163.com

Validation of Pulse-Free Time-Domain Synchronous Averaging Method for Feature Extraction of Helicopter Gear

Shan Tianmin1，2，*，Wang Jinglin1，2，Cao Liang1，2，Li Shengnan1，2，Lin Zeli1，2，Shen Yong1，2

1. AVIC Shanghai Aero Measurement-Controlling Research Institute，Shanghai 201601，China

2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Fault Diagnosis and Health Management，Shanghai 201601，China

Abstract： In order to overcome the problem that the helicopter HUMS system cannot obtain the speed pulse signal and thus cannot perform time-domain synchronous averaging， a pulse-free time-domain synchronous averaging method is proposed. The original signal is narrow-band filtered centered on the target frequency which is obtained by performing an extreme value search within a certain range of the rated frequency to obtain a simulated sine wave， which conducts speed pulses for time-domain synchronous averaging to extract the characteristc parameters of helicopter gears. The characteristic parameter ratio and effective signal ratio are proposed to verify the effectiveness of the method. Finally， based on actual flight data， the effectiveness of the pulse-free time-domain synchronous average feature extraction based on frequency conversion and meshing frequency is verified.

Key Words： time-domain synchronous averaging； condition monitoring； fault diagnosis； health management； bandpass filtering