劉岳鵬 周 磊 金 誠(chéng)

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程具有高溫、高壓、高密度能量釋放等特點(diǎn),使其成為影響發(fā)射任務(wù)的重要故障敏感部位。 而作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的渦輪泵在高速和強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下,容易發(fā)生低溫軸承保持架破碎、摩擦阻力異常增大、渦輪葉片和渦輪盤(pán)軸裂紋等故障,且據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,渦輪泵故障多為瞬變、突發(fā)性故障,而且故障的發(fā)展非常迅速,一旦故障出現(xiàn),若不及時(shí)處理,將快速蔓延至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)乃至航天運(yùn)載器,造成航天任務(wù)的失敗,帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面社會(huì)影響。

在常規(guī)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)任務(wù)中,采用轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、壓力、流量和溫度等手段監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài),這些手段往往僅能在故障已經(jīng)出現(xiàn)宏觀表征之后獲得信號(hào)反映,而且傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)方法是對(duì)位移和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),但設(shè)備的早期微小缺陷或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的故障不足以激起設(shè)備的明顯振動(dòng),且故障信號(hào)很容易湮沒(méi)在較強(qiáng)的正常振動(dòng)噪聲中,影響故障診斷的有效性。

因此,為了提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中渦輪泵異常狀態(tài)的早期故障識(shí)別能力與效率,本文提出一種采用應(yīng)力波技術(shù)的渦輪泵早期缺陷和故障檢測(cè)方案,搭建系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái),通過(guò)YF-XX 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)掌握應(yīng)力波數(shù)據(jù)獲取和故障表征分析方法,驗(yàn)證應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用中的有效性與可靠性。

2 應(yīng)力波技術(shù)原理

2.1 應(yīng)力波的產(chǎn)生

應(yīng)力波是因物體接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(如摩擦、碰撞或斷裂等)而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力,引起物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)和能量傳遞,從而將能量以超聲波的形式沿物體向各個(gè)方向傳播出去,其本質(zhì)是材料中的一種彈性波。 在機(jī)械設(shè)備的健康檢測(cè)任務(wù)中,應(yīng)力波通常是由于旋轉(zhuǎn)部件(如軸承、轉(zhuǎn)子、齒輪等)的失效或缺陷而造成的沖擊而產(chǎn)生,因此,對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的分析研究是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷的一種有效手段。

從應(yīng)力波的形成機(jī)理和傳播特性來(lái)看,應(yīng)力波信號(hào)源自于缺陷本身,無(wú)論是設(shè)備早期的微小裂紋,還是低速下的缺陷,都會(huì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生應(yīng)力波并沿介質(zhì)傳播出去,因此,應(yīng)力波技術(shù)對(duì)設(shè)備的早期故障監(jiān)測(cè)更加敏感。

2.2 應(yīng)力波檢測(cè)原理

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)和環(huán)境噪聲,這些噪聲干擾會(huì)疊加到應(yīng)力波信號(hào)中被傳感器采集到,對(duì)故障信息的提取造成不利影響。 因此,應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)采用了諧振解調(diào)原理對(duì)故障特征信號(hào)進(jìn)行提取。 當(dāng)機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件存在局部損傷或缺陷時(shí),在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中損傷點(diǎn)會(huì)與其接觸面發(fā)生碰撞并產(chǎn)生瞬態(tài)的沖擊脈沖力,由于沖擊脈沖力的頻帶很寬,會(huì)激起旋轉(zhuǎn)部件或整個(gè)設(shè)備的高頻固有振動(dòng)。 這種高頻固有振動(dòng)作為信號(hào)的載波,其幅值會(huì)受到這些缺陷引起的沖激脈沖的調(diào)制,從而使最終的應(yīng)力波信號(hào)波形表現(xiàn)為復(fù)雜的幅值調(diào)制波。 由于調(diào)制波的調(diào)制頻率是與旋轉(zhuǎn)設(shè)備缺陷相對(duì)應(yīng)的頻率,因此調(diào)制波的頻率成分中含有缺陷所對(duì)應(yīng)的故障特征頻率,通過(guò)一定的濾波和解調(diào)技術(shù)處理,就能有效抑制噪聲信號(hào)的干擾,將旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的缺陷信息分離出來(lái),從而提高對(duì)故障模式識(shí)別的準(zhǔn)確性。

在應(yīng)力波信號(hào)測(cè)量過(guò)程中,采用壓電傳感器,為了提升信號(hào)獲取的質(zhì)量,設(shè)計(jì)壓電敏感材料的中心諧振頻率與高頻固有振動(dòng)的載波頻率相接近,這樣有助于增強(qiáng)應(yīng)力波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的幅度。 在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)力波傳感器的諧振頻率設(shè)計(jì)為35—40 kHz以匹配產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)的狀態(tài)[1],且這一頻率高于設(shè)備的低頻振動(dòng)信號(hào)(通常為0—20 kHz),使采集到的信號(hào)更關(guān)注于35—40 kHz 這一頻段內(nèi)的故障信息,降低了低頻振動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響。

因此,在對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)采用共振解調(diào)技術(shù),先通過(guò)高頻帶通濾波器獲得調(diào)制波頻段的故障信號(hào),再通過(guò)Hilbert 變換或峰值法等包絡(luò)解調(diào)算法,提取信號(hào)的包絡(luò)信息,從應(yīng)力波信號(hào)中提取出實(shí)際的故障脈沖,最后再經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和頻域分析,獲得故障信號(hào)的頻譜特征,從而識(shí)別出故障的類型[2]。 圖1 所示為應(yīng)力波檢測(cè)過(guò)程的原理圖。

圖1 應(yīng)力波檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of stress wave detection

表1 統(tǒng)計(jì)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵典型機(jī)械故障與特征頻率的關(guān)系[3],其中,n是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,根據(jù)信號(hào)分析后獲得的頻率特征,可以推斷出應(yīng)力波信號(hào)中包含的特定故障信息。

表1 典型機(jī)械故障與特征頻率關(guān)系Table 1 Relationship between typical mechanical failure and characteristic frequency

3 應(yīng)力波低溫檢測(cè)技術(shù)研究

根據(jù)應(yīng)力波的聲學(xué)特性可知,聲波在沿固體傳播的過(guò)程中,如果出現(xiàn)介質(zhì)特性變化,會(huì)造成部分能量發(fā)生反射或散射,使應(yīng)力波在原始傳播方向上的能量有較大衰減,不利于信號(hào)的檢測(cè)。 因此,為了使應(yīng)力波傳感器更有效地接收故障或缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào),應(yīng)盡量避免或減少在傳播路徑上出現(xiàn)分界面和焊縫等結(jié)構(gòu)。 鑒于以上原因,在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用中,為了更好地獲取旋轉(zhuǎn)部件的應(yīng)力波信號(hào),通常需要將傳感器直接安裝在渦輪泵上。

3.1 分體式應(yīng)力波傳感器設(shè)計(jì)

常規(guī)的應(yīng)力波傳感器為避免噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?將壓電敏感元件和調(diào)理電路封裝進(jìn)傳感器殼體內(nèi),使采集到的應(yīng)力波信號(hào)能夠及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),這就需要保證在使用過(guò)程中,壓電敏感元件和調(diào)理電路都要在適應(yīng)的環(huán)境范圍內(nèi)工作。 根據(jù)應(yīng)力波傳感器的出廠設(shè)定,通常在-40—125 ℃都能保證傳感器的有效性。

但在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)用中,氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵在工作中需要為點(diǎn)火提供液氫和液氧作為燃料和氧化劑,而液氫和液氧的沸點(diǎn)溫度分別為-252 ℃和-183 ℃,這就導(dǎo)致試驗(yàn)點(diǎn)火過(guò)程中,渦輪泵外壁及附近的溫度比較低,至少會(huì)達(dá)到-180 ℃以下。 在前期對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開(kāi)展應(yīng)力波搭載任務(wù)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在低溫下測(cè)試過(guò)的傳感器有一定概率出現(xiàn)永久性損壞,經(jīng)過(guò)廠家對(duì)損壞傳感器的檢測(cè),確認(rèn)了是放大電路損壞,而壓電敏感元件仍有效。

由于應(yīng)力波傳感器是安裝在渦輪泵外壁上,考慮溫度沿渦輪外壁傳導(dǎo)影響大于輻射影響,本文設(shè)計(jì)了分體式應(yīng)力波傳感器的結(jié)構(gòu),將放大電路從傳感器殼體中分離出來(lái),避免液氫和液氧的溫度傳遞到放大電路部分,圖2 所示為常規(guī)應(yīng)力波傳感器和分體式應(yīng)力波傳感器的差異圖。 對(duì)分體式應(yīng)力波傳感器在液氮(沸點(diǎn)-196 ℃)下進(jìn)行低溫性能測(cè)試,結(jié)果顯示傳感器能夠滿足這一低溫環(huán)境下的測(cè)試需求,且測(cè)試過(guò)程中,信號(hào)的穩(wěn)定性和傳感器的靈敏度都有良好的體現(xiàn)。

圖2 常規(guī)型與分體式應(yīng)力波傳感器差異Fig.2 Difference between conventional type and split type stress wave sensor

3.2 耦合劑

基于前面論述的應(yīng)力波傳播特性,當(dāng)故障信號(hào)沿設(shè)備傳遞到傳感器接收端面時(shí),如果接觸面耦合效果不好,中間會(huì)存在空氣層,造成信號(hào)衰減,影響接收信號(hào)的質(zhì)量。 但由于傳感器端面和被測(cè)設(shè)備的安裝表面都是剛性結(jié)構(gòu),很難實(shí)現(xiàn)良好接觸。 在聲學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域,通常使用凡士林、硅油和環(huán)氧樹(shù)脂膠等液體或固體耦合劑來(lái)填補(bǔ)傳感器與安裝面之間的空氣間隙,以達(dá)到減小信號(hào)衰減的目的[4]。

但在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用中,因低溫條件影響,會(huì)使常規(guī)液態(tài)耦合劑出現(xiàn)粘性降低或低溫凝固等問(wèn)題,而環(huán)氧樹(shù)脂膠等固態(tài)耦合劑在低溫下會(huì)出現(xiàn)變脆碎裂等問(wèn)題,這都將導(dǎo)致耦合性能降低。 因此,參考試驗(yàn)過(guò)程中的其它物理量測(cè)試方案,選取了專用的低溫耦合油脂作為耦合劑,以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波傳感器與被測(cè)設(shè)備間的良好耦合效果。

4 試驗(yàn)應(yīng)用

面向YF-XX 型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用需求,開(kāi)展了針對(duì)渦輪泵的應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證研究,并在某次發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性熱試車任務(wù)中進(jìn)行了應(yīng)力波系統(tǒng)的搭載測(cè)試。 試驗(yàn)過(guò)程的點(diǎn)火時(shí)間持續(xù)500 秒,會(huì)進(jìn)行工況調(diào)整,其中,氫泵和氧泵的穩(wěn)定段轉(zhuǎn)速分別約為31 800 r/min 和18 200 r/min 左右。

4.1 系統(tǒng)布局

本次搭載測(cè)試任務(wù)采用了兩只應(yīng)力波傳感器,分別安裝在氫泵和氧泵支撐軸承附近殼體的振動(dòng)測(cè)量塊上,傳感器與振動(dòng)塊的接觸面使用低溫油脂進(jìn)行耦合,并通過(guò)螺栓進(jìn)行緊固;傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)專用的屏蔽電纜連接至測(cè)量前間的應(yīng)力波采集器,由于測(cè)量前間與測(cè)控間的距離超過(guò)200 米,需要經(jīng)光纖收發(fā)器將信號(hào)傳輸至測(cè)控間的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和分析等過(guò)程。 應(yīng)力波檢測(cè)系統(tǒng)布局如圖3 所示。另外,為驗(yàn)證應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)的有效性和可靠性,在研究過(guò)程中選擇了與應(yīng)力波傳感器安裝位置相同的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析結(jié)果對(duì)比。

圖3 應(yīng)力波檢測(cè)系統(tǒng)布局圖Fig.3 Layout of stress wave detection system

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力波傳感器的工作穩(wěn)定,且試驗(yàn)后測(cè)試的狀態(tài)完好,表明本文采用的應(yīng)力波低溫檢測(cè)技術(shù)能夠確保傳感器在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性能,可有效地適應(yīng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的測(cè)試需求,

通過(guò)表1 所述的典型故障模式和特征頻率的關(guān)系看出,液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的故障判別是以特征頻率和轉(zhuǎn)速頻率的關(guān)系確定的,因此,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置的氫泵和氧泵轉(zhuǎn)速,得出對(duì)應(yīng)的特征頻率分別為530 Hz 和303 Hz。

由于應(yīng)力波檢測(cè)系統(tǒng)最終采集到的數(shù)據(jù)是渦輪泵旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)過(guò)圖1 所示的應(yīng)力波檢測(cè)原理進(jìn)行濾波和解調(diào)處理的結(jié)果,該過(guò)程由應(yīng)力波采集器硬件電路和算法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,以提高信號(hào)的處理效率。 為了匹配應(yīng)力波傳感器的響應(yīng)頻率范圍,系統(tǒng)采用的硬件濾波器是30—45 kHz 帶通濾波器,以便濾除高低頻噪聲干擾;信號(hào)的包絡(luò)解調(diào)采用希爾伯特變換算法,通過(guò)硬件系統(tǒng)搭載的FPGA芯片進(jìn)行處理,從而從高頻載波信號(hào)中提取沖擊信號(hào),最終通過(guò)TCP/IP 協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器。

在服務(wù)器軟件中,獲取到經(jīng)采集系統(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù),抽取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定段的5 s 時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 圖4 為應(yīng)力波檢測(cè)系統(tǒng)采集到的氫泵位置的數(shù)據(jù)結(jié)果。 圖4a 為應(yīng)力波信號(hào)的時(shí)域波形,信號(hào)均值約1V,且因進(jìn)行了包絡(luò)解調(diào),所以數(shù)據(jù)均為正值。 對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換,獲得氫泵位置信號(hào)的頻譜如圖4b 所示,最顯著的特征頻率為3 208 Hz,對(duì)應(yīng)氫泵的6 倍轉(zhuǎn)速頻率,結(jié)合渦輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知,渦輪泵轉(zhuǎn)子具有6 個(gè)葉片,其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)流,進(jìn)而激發(fā)產(chǎn)生了應(yīng)力波信號(hào)。

圖4 氫泵位置應(yīng)力波信號(hào)及頻譜Fig.4 Stress wave signal and frequency spectrum at hydrogen pump

圖5 所示為氧泵位置采集到的應(yīng)力波信號(hào),圖5a為信號(hào)的時(shí)域波形,信號(hào)均值約1V,圖5b 為經(jīng)FFT 獲得的頻譜圖,看出最顯著的頻率特征是1 823 Hz,對(duì)應(yīng)氧泵的6 倍轉(zhuǎn)速頻率,產(chǎn)生原因同樣是由于氧渦輪泵轉(zhuǎn)子的6 個(gè)葉片的脈動(dòng)流激發(fā)的應(yīng)力波信號(hào)。

圖5 氧泵位置應(yīng)力波信號(hào)及頻譜Fig.5 Stress wave signal and frequency spectrum at oxygen pump

同時(shí),對(duì)氫泵和氧泵上與應(yīng)力波傳感器安裝位置相近的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6 所示。 從圖中看出,振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜圖中除了渦輪泵轉(zhuǎn)速的6倍頻和相關(guān)頻率外,在低頻段還存在比較復(fù)雜的低頻特性,這些頻率特征對(duì)設(shè)備的故障模式分析會(huì)產(chǎn)生一定干擾,不利于故障定位。

經(jīng)過(guò)對(duì)比圖4—圖6 的結(jié)果可以看出,應(yīng)力波傳感器的測(cè)量結(jié)果和振動(dòng)數(shù)據(jù)的結(jié)果都以6 倍頻為最顯著特征頻率,且信噪比較高,說(shuō)明兩種方案的測(cè)試效果具有較好的一致性,但因振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中包含一定程度的復(fù)雜低頻噪聲影響,而應(yīng)力波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了濾波和包絡(luò)解調(diào)后較好地屏蔽了低頻噪聲的干擾,更有利于對(duì)故障模式的分析和定位。

圖6 振動(dòng)數(shù)據(jù)及頻譜Fig.6 Vibration data frequency spectrum

5 結(jié)論

通過(guò)建立針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)試驗(yàn)的應(yīng)力波檢測(cè)系統(tǒng),證明了應(yīng)力波技術(shù)對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵可靠性分析的有效性,得到的具體結(jié)論如下:

(1)采用了分體式應(yīng)力波傳感器和低溫耦合劑的配置方案,能夠適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)液氫和液氧系統(tǒng)的低溫環(huán)境下的測(cè)試需求,驗(yàn)證了應(yīng)力波信號(hào)的可獲取性和應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)的可應(yīng)用性。

(2)對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的分析結(jié)果顯示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別捕捉到氫泵和氧泵6 倍轉(zhuǎn)頻的特征頻率,對(duì)應(yīng)于渦輪泵轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)流狀態(tài)。

(3)通過(guò)對(duì)比,應(yīng)力波數(shù)據(jù)與振動(dòng)數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果具有較好的一致性,且應(yīng)力波數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中避免了低頻噪聲的影響,對(duì)故障模式的分析和定位更為有利。