劉忠超,程 承,殷 鵬

(1.中國直升機設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.陸裝駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍代室,江西 景德鎮(zhèn) 3330002)

0 引言

振動信號監(jiān)測是直升機振動監(jiān)測系統(tǒng)、HUMS系統(tǒng)的基本功能。一般在機體特定位置布置振動傳感器測量振動信號,從振動信號中提取峰-峰值、頻率峰值等特征參數(shù),建立振動特征與故障模式之間的模型,達到故障監(jiān)測的目標(biāo)。

英國民用航空局頒布的直升機振動健康監(jiān)測指南(CAP 753)給出了通用的直升機振動監(jiān)測參數(shù),詳細要求如表1所列。

表1 CAP753振動監(jiān)測參數(shù)

表1所述方法基本涵蓋了直升機的振動源,可以滿足一般的振動監(jiān)測需求。但是依賴已有知識庫且缺少實時告警策略的特點,決定了其對于未知振源或機理的異常振動缺乏識別和預(yù)警能力。

現(xiàn)有直升機振動監(jiān)測研究多集中于已知故障類型的信號特征提取算法,但對工程領(lǐng)域未知振源的振動監(jiān)測方法研究相對較少。李輝[1]基于EMD和功率譜方法,在功率譜中成功提取了齒輪嚙合頻率的邊頻帶頻率,準(zhǔn)確識別出輸出軸齒輪存在損傷?？蝶愊糩2]對花鍵連接的超臨界軸穩(wěn)定性進行了理論分析和試驗研究,給出了臨界轉(zhuǎn)速頻率的振動位移作為傳動軸失穩(wěn)與否的特征。吳飛、丁軍等[3]基于VMD和PSO-SVM方法針對汽車傳動軸系的不平衡、不對中和松動故障,進行了故障模擬和振動信號特征識別。Paula J.Dempsey[4]在直升機傳動系統(tǒng)齒輪健康診斷方法綜述中提出了振動數(shù)據(jù)特征提取算法和閾值設(shè)計原則,對工程應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)。但上述研究均限于識別已知的傳動軸故障,不能有效識別突發(fā)的未知振動故障。

本文針對現(xiàn)有振動監(jiān)測方法的不足,以直升機尾傳動軸失效故障數(shù)據(jù)為研究對象,通過數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出故障特征,提出了基于振動、飛參數(shù)據(jù),綜合頻譜特性檢查、伯德圖、軸心軌跡分析[5]的振動監(jiān)測方法,達到監(jiān)測尾傳動軸失效故障的目標(biāo)。

本文所述方法可以有效預(yù)警直升機傳動軸的異常自激振動,提升飛行安全性,并可為其他未知振源的直升機故障振動監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1 直升機尾傳動軸失效故障介紹

直升機運轉(zhuǎn)過程中尾傳動軸出現(xiàn)異常振動,導(dǎo)致尾傳動軸損傷,損傷位置如圖1所示。

圖1 尾傳動軸損傷示意圖

直升機尾傳動軸由短軸、長軸和膜片聯(lián)軸節(jié)組成,其中傳動軸均設(shè)計為超臨界軸。機載系統(tǒng)記錄了飛參信號和機體振動信號,振動數(shù)據(jù)采樣率為1024 Hz,飛參數(shù)據(jù)采樣率為16 Hz。機體振動測試點包括座艙地板、中減平臺和尾減速器殼體。中減平臺位置的傳感器距離尾傳短軸最近,振動數(shù)據(jù)最敏感,因此取該處數(shù)據(jù)進行分析。

2 直升機尾傳動軸故障振動特征分析

2.1 頻譜特性檢查

直升機地面慢車和空中狀態(tài)旋翼轉(zhuǎn)速不同,對應(yīng)的傳動軸工作轉(zhuǎn)速基頻也不同。選取地面開車和空中飛行的狀態(tài),提取傳動軸正常與失效架次的振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析,檢查頻譜曲線有無異常頻率。頻率分辨率為0.125 Hz,頻譜帶寬為200 Hz。頻譜曲線如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)頻譜曲線對比

由圖2可知,尾傳動軸失效架次的頻譜與正常架次相比,出現(xiàn)了異常頻率46.13 Hz以及3倍頻138.4 Hz,且該值恒定,不隨旋翼轉(zhuǎn)速增加而變化。地面慢車時,異常頻率振幅峰值最高,達到1.387g?？罩袪顟B(tài)時,異常頻率振幅約0.603g,有所減小。

2.2 時頻特性分析

尾傳動軸失效架次的中減平臺振動數(shù)據(jù)的伯德圖見圖3。幅頻曲線表明,尾傳短軸的側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在46.44 Hz附近;垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在50.02 Hz附近。尾傳短軸垂向幅頻曲線的46 Hz峰值是側(cè)向臨界轉(zhuǎn)速頻率耦合造成的。尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率與頻譜分析的異常頻率46.13 Hz十分接近。同時,設(shè)計資料表明尾傳短軸的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率約為50 Hz,進一步驗證了異常頻率是尾傳短軸的臨界轉(zhuǎn)速頻率。

圖3 伯德圖幅頻曲線

尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在中減平臺處的振動幅值隨時間變化曲線如圖4所示。由圖可知,隨著旋翼轉(zhuǎn)速提升,當(dāng)尾傳動軸轉(zhuǎn)速通過尾傳短軸的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率時,該頻率振動突然出現(xiàn),且振幅達到1.4g。激勵頻率通過共振區(qū)間后,該頻率振動仍然保持,振幅穩(wěn)定在0.8g左右;持續(xù)至7000 s時,振幅開始逐步放大,并持續(xù)約1700 s;最后該頻率振幅突然從2.4g減小到0.01g。

圖4 尾傳短軸臨界轉(zhuǎn)速頻率時間-幅值圖

2.3 傳動軸軸心軌跡

中減平臺的振動傳感器垂向和側(cè)向安裝剛度量級相當(dāng),可使用該處振動加速度模擬傳動軸的軸心軌跡。圖5給出了尾傳短軸臨界轉(zhuǎn)速頻率在中減平臺處的軸心軌跡。由圖可知,尾傳短軸失效架次,自激振動頻率的軸心軌跡在早期呈現(xiàn)橢圓形狀,側(cè)向振幅大,垂向振幅小,橢圓長半徑值與振動數(shù)據(jù)側(cè)向振幅相同;后期軸心軌跡紊亂,呈現(xiàn)交叉形狀,側(cè)向振幅明顯大于垂向振幅,側(cè)向和垂向振動存在反相特征。

軸心軌跡側(cè)向明顯大于垂向的原因推測如下:一是尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率小于垂向頻率,兩者相差約3 Hz。該特性使得自激振動以尾傳短軸側(cè)向和垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率中較低的一個體現(xiàn)出來。二是未知原因造成尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率運動更容易失穩(wěn),而垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率運動不易被激發(fā),穩(wěn)定性更好。

2.4 趨勢分析

針對尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率的異常振動,選取傳動軸失效前共4個架次的數(shù)據(jù),在相同直升機運轉(zhuǎn)狀態(tài)下,檢查該頻率振幅和軸心軌跡的變化趨勢。振幅變化如表2所示。軸心軌跡變化如圖6所示。由圖6和表2分析可知,尾傳短軸自激振動的發(fā)展趨勢如下:

圖6 軸心軌跡隨架次變化趨勢

表2 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率振幅

1) 46 Hz側(cè)向振幅逐步增加,最后穩(wěn)定在0.7g～0.8g。垂向振幅除了D架次明顯放大外,其他架次均小于0.1g。

2) 加速度軸心軌跡橢圓特征逐步明顯,且橢圓長半徑逐步增加,橢圓短半徑在D-3、D-2和D-5較大,但是D-1長度較小。

3) 結(jié)合2.3節(jié)圖5可知,尾傳短軸自激振動發(fā)生、穩(wěn)定、失穩(wěn)損傷的歷程期間,軸心軌跡也經(jīng)歷了不規(guī)則橢圓、橢圓、紊亂的過程。尾傳短軸軸心保持規(guī)則橢圓時,應(yīng)進行傳動軸檢查;軸心由規(guī)則橢圓過渡到紊亂時,須禁止傳動軸運轉(zhuǎn)。

3 傳動軸異常振動監(jiān)測方法

綜合上述尾傳短軸失效數(shù)據(jù)分析,本文提出未知振源的傳動軸振動監(jiān)測方法如下:

1) 通過振動數(shù)據(jù)分析,定位異常頻率值;

2) 繪制異常頻率振動的時間-振幅歷程;

3) 通過振動特征分析,查閱相關(guān)設(shè)計資料,確定異常頻率振動的來源;

4) 提取異常頻率振動的特征發(fā)展趨勢,如本文所述的時間-振幅曲線、軸心軌跡等;

5) 結(jié)合異常頻率振動的發(fā)展階段,確定合理的振動超限閾值,在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷前及時告警。

4 數(shù)據(jù)驗證

選取相同機型的兩架直升機數(shù)據(jù)檢驗本文所述方法的可行性。為描述方便,兩架機分別編號為001、002。尾傳短軸的狀態(tài)為:001架機地面開車出現(xiàn)自激振動,飛行時自激振動持續(xù),振幅維持在0.2g～0.33g。002架機運轉(zhuǎn)正常,未出現(xiàn)自激振動。由伯德圖曲線得出尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率如表3所示。尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率對應(yīng)的時間-幅值曲線如圖7所示。尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率對應(yīng)的軸心軌跡如圖8所示。

圖7 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率時間-幅值曲線

圖8 001和002號機的軸心軌跡圖

表3 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率

由振動特征分析結(jié)果可知:

1) 兩架機尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率均略高于垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率。

2) 圖7表明通過臨界轉(zhuǎn)速時,001號機尾傳短軸振動被激勵起來并保持穩(wěn)定,并沒有隨著軸轉(zhuǎn)速升高而降低;002號機尾傳短軸振動被激勵起來后,馬上隨著軸轉(zhuǎn)速升高而降低,振幅不能保持。

3) 圖8表明001號機軸心軌跡地面慢車近似為橢圓,飛行狀態(tài)無規(guī)律。002號機軸心軌跡紊亂。其原因是側(cè)向和垂向的振幅值均很小,屬于隨機振動。因此,軸心軌跡僅能用于異常頻率振動出現(xiàn)后的趨勢跟蹤。

4) 由上述分析可知,002號機尾傳短軸未出現(xiàn)自激振動現(xiàn)象。001號機尾傳短軸出現(xiàn)了持續(xù)的自激振動。地面慢車狀態(tài)軸心軌跡呈橢圓形,但不穩(wěn)定。飛行狀態(tài)垂向振幅較小,相位與側(cè)向相位不同步,表明001號機處于自激振動的早期階段。

5 結(jié)論

本文基于典型的直升機傳動軸失效故障數(shù)據(jù),提出了一種傳動軸異常頻率振動的監(jiān)測方法,并使用試飛數(shù)據(jù)進行了驗證。本文提出的方法可以:

1)有效識別直升機傳動軸的自激振動頻率。

2)有效揭示傳動軸自激振動劇烈程度的發(fā)展趨勢,明確自激振動的主要表現(xiàn)形式。對于本文分析的失效架次振動而言,尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率的側(cè)向運動是其能量耗散的主要形式,垂向運動是由側(cè)向運動引起的。自激振動發(fā)生時,尾傳短軸的垂向運動穩(wěn)定性較好,振幅不易變大或發(fā)散。

3)本文所述方法不限于傳動軸的振動監(jiān)測,對于其他旋轉(zhuǎn)機械的未知振源異常振動監(jiān)測也具有借鑒意義。