熊欣,喬思佳,朱鈺玨,蔣聰,任悅,臧朝平

(1. 中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司金城南京機電液壓工程研究中心,江蘇 南京 211106;2. 空軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室,江蘇 南京 211106;3. 海軍指揮學(xué)院 外訓(xùn)大隊翻譯室,江蘇 南京 210016;4. 南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

空氣渦輪起動機(air turbine starter, ATS)屬于飛機第二動力系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)帶轉(zhuǎn)發(fā)動機,使發(fā)動機達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。在高溫、高轉(zhuǎn)速的苛刻運行條件下,空氣渦輪起動機易產(chǎn)生異常振動。渦輪轉(zhuǎn)子是起動機的核心部件,相較于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子,其轉(zhuǎn)速更高,轉(zhuǎn)動慣量更大,一旦振動異常會引發(fā)轉(zhuǎn)子破裂等極端情況,高能、高速的碎片可能會擊穿包容結(jié)構(gòu),破壞飛機的集成電源、液壓管路等,嚴(yán)重危及飛行安全[1]。

該型空氣渦輪起動機由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和殼體系統(tǒng)組成,其中,渦輪轉(zhuǎn)子及齒輪系統(tǒng)組成的減速傳動機構(gòu)是最主要的振動源。在產(chǎn)品交付前,起動機需要先后通過磨試、檢試、質(zhì)檢三道實驗流程以確保其達(dá)到出廠要求。試驗中時常因振動幅值偏大出現(xiàn)產(chǎn)品異常振動的情況,偶爾甚至出現(xiàn)渦輪碰磨、輸出軸斷裂、內(nèi)部異常磨損等故障現(xiàn)象[2],嚴(yán)重故障時起動機無法運轉(zhuǎn),進(jìn)而使航空發(fā)動機無法起動。起動機的工作過程是持續(xù)的升速過程,無恒轉(zhuǎn)速工況,呈現(xiàn)明顯的時變特性。雖然目前國內(nèi)對于空氣渦輪起動機動力學(xué)特性、故障模式以及剩余壽命已有許多研究[3-5],但對于起動過程中的時變特征仍需進(jìn)一步研究。因此建立空氣渦輪起動機在變轉(zhuǎn)速工況下的異常振動診斷分析方法就尤為重要。有多種時頻分析方法可用于非平穩(wěn)振動信號的分析,如短時傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波分析等[6]。其中,短時傅里葉變換由于其簡單、高效,在各工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-10]。本文采用短時傅里葉變換對起動機交付前的試驗中正常狀態(tài)及異常狀態(tài)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,從異常狀態(tài)的時頻譜表現(xiàn)對導(dǎo)致振動異常的原因進(jìn)行診斷分析。

1 空氣渦輪起動機振動信號分析方法

1.1 短時傅里葉變換

在對旋轉(zhuǎn)機械的振動信號進(jìn)行分析時,通常采用基于傅里葉變換的功率譜密度指標(biāo)對振動水平進(jìn)行評估,但對空氣渦輪起動機而言,其工作過程為持續(xù)升速過程,伴有非平穩(wěn)特征。傅里葉變換僅能展現(xiàn)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工作時的振動信號頻域特征,無法應(yīng)用于時變過程的振動特征提取。為解決此問題,本文采用加窗的傅里葉變換,即短時傅里葉變換(short time fourier transform, STFT)對起動機的時變振動信號進(jìn)行處理。通過在信號上添加滑移時間窗,對信號進(jìn)行分段采樣,對每組信號進(jìn)行局部的傅里葉變換。短時傅里葉變換的定義為[10]

(1)

h(t)為窗函數(shù),其值為1時,短時傅里葉變換還原為傅里葉變換。對于給定的時間t,STFT(t,f)可看作是該時刻的頻譜,它的時間分量對應(yīng)于窗口在平移過程中其中心所處的各個位置。每個不同的時間均可獲得一個獨立的頻譜,能夠反映該時刻的信號特征,稱之為切片譜。

窗函數(shù)的類型及窗的寬度對短時傅里葉變換的分析結(jié)果有顯著影響,常見的窗函數(shù)類型有矩形窗、高斯窗、海明窗等。受海森堡測不準(zhǔn)原理的制約,窗函數(shù)的時寬和帶寬無法同時達(dá)到任意小,因此無法在時間分辨率和頻率分辨率上同時達(dá)到最優(yōu)解[11]。

在Matlab中對振動信號進(jìn)行分析時,采用spectrogram函數(shù)繪制短時傅里葉頻譜圖,給定信號、窗函數(shù)、fft點數(shù)以及采樣率的情況下,能夠輸出信號的能量譜密度(PSD)。為得到能夠反映主要頻率特性的頻譜圖,需要根據(jù)信號特征對窗函數(shù)進(jìn)行選擇并進(jìn)行濾波。根據(jù)起動機起動過程的信號特征以及采樣頻率,選擇窗函數(shù)類型為海明窗,窗寬度為1 000,為濾除背景噪聲,將頻譜中PSD值小于最大值15%的頻率成分進(jìn)行濾除。

1.2 空氣渦輪起動機結(jié)構(gòu)及常見故障

空氣渦輪起動機由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和殼體系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由渦輪轉(zhuǎn)子、齒輪系統(tǒng)(包括主動齒輪、雙聯(lián)齒輪以及環(huán)形齒輪等)和軸承組成;靜子系統(tǒng)主要由導(dǎo)向器殼體、進(jìn)氣殼體、渦輪殼體、安裝殼體、軸承座以及密封座襯蓋等部件裝配組成。

近10年的空氣渦輪起動機維修數(shù)據(jù)表明,異常振動主要來源于起傳動作用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),如圖1所示。高頻振動出現(xiàn)的故障有以下幾種:輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦、內(nèi)部異常磨損等。不同的故障會在頻譜上表現(xiàn)為不同的部件轉(zhuǎn)動頻率或嚙合頻率。以渦輪轉(zhuǎn)頻為1倍頻,該型空氣渦輪起動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各個部件的轉(zhuǎn)動頻率和齒輪嚙合頻率見表1。

表1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件轉(zhuǎn)頻及嚙合頻率

圖1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

1.3 空氣渦輪起動機振動信號分析流程

通常,對空氣渦輪起動機進(jìn)行振動監(jiān)測時,采用低通濾波的方式保留2 000Hz內(nèi)的振動信息,使用時域加速度譜線來進(jìn)行異常振動的識別[2]。這種判斷方式能夠有效識別轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的異常振動,但是由于進(jìn)行了低通濾波,高頻的振動信號如齒輪嚙合頻率或渦輪轉(zhuǎn)頻的高次諧波難以體現(xiàn)。本文分析振動監(jiān)測時,不作低通濾波處理,以便保留高頻振動的信息,信號分析流程如圖2所示。在對加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)做短時傅里葉變換后,通過濾除振動能量較低的成分(PSD值≤0.15×PSDmax值)以去除背景噪聲,保留主要振動頻率成分,得到改進(jìn)的短時傅里葉時頻譜,同時在重點關(guān)注的轉(zhuǎn)速區(qū)間做切片譜。將正常狀態(tài)和異常狀態(tài)的短時傅里葉時頻譜和切片譜進(jìn)行頻率成分的對比分析,從而實現(xiàn)異常振動的成因分析。

圖2 振動信號分析流程

2 空氣渦輪起動機起動過程異常振動的短時傅里葉變換分析

振動響應(yīng)數(shù)據(jù)采集于空氣渦輪起動機的渦輪殼體上,采用加速度傳感器,布置位置如圖3所示,采樣頻率為25 600Hz。

圖3 加速度傳感器布置位置

以某次質(zhì)檢試驗中測得的正常工作狀態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)為例,說明信號分析流程,試驗過程共持續(xù)28 s,渦輪從0加速到約79 500r/min。其加速度響應(yīng)原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 加速度響應(yīng)信號

采用窗長度為1 000的海明窗,得到短時傅里葉時頻譜如圖5所示,此時的時頻譜頻率成分雜亂,仍需進(jìn)一步處理。

圖5 短時傅里葉時頻譜

在保留高頻振動頻率成分同時濾除背景噪聲,對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。

1)僅截取渦輪轉(zhuǎn)速升至12 000r/min以上的時頻譜,對無振動異常的低轉(zhuǎn)速區(qū)不做重點關(guān)注。

2)濾除振動能量譜密度低于主要頻率成分15%的頻率成分。

經(jīng)處理的短時傅里葉時頻譜如圖6所示,以渦輪轉(zhuǎn)頻為1倍頻,7種主要頻率成分信息見表2。

表2 頻率成分

圖6 改進(jìn)的短時傅里葉時頻譜

在時域譜中加速度較大的時刻做局部頻譜,即切片譜,對產(chǎn)生振動的原因進(jìn)行分析,各轉(zhuǎn)速下的切片譜及主要頻率成分在圖7和表3中給出。

圖7 空氣渦輪起動機升速過程的切片譜

對其他12次正常工作狀態(tài)試驗數(shù)據(jù)采用相同的分析方法,進(jìn)行正常工作狀態(tài)規(guī)律總結(jié):

1)渦輪轉(zhuǎn)速在以下4個區(qū)間時,振動響應(yīng)出現(xiàn)局部峰值,27 000～31 000r/min,37 500～43 000r/min,49 000～59 000r/min,59 000r/min～最高轉(zhuǎn)速;

2)在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間能夠采集到大量的齒輪嚙合及倍頻成分;

3)渦輪轉(zhuǎn)速在49 000～59 000r/min區(qū)間內(nèi)時,轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速,可能出現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng),在超過此轉(zhuǎn)速范圍后,渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)大幅度減弱,如無明顯渦輪轉(zhuǎn)頻,則主要頻率成分為雙聯(lián)齒輪與環(huán)形齒輪的嚙合頻率;

4)渦輪轉(zhuǎn)速升至59 000r/min以上后,雙聯(lián)齒輪與環(huán)形齒輪的嚙合頻率占主導(dǎo)。

在試驗流程中,有兩次試驗出現(xiàn)明顯的振動異常,其時頻譜如圖8所示。

圖8 異常狀態(tài)時頻譜

將異常狀態(tài)的時頻譜進(jìn)行局部放大,如圖9所示。

圖9 異?，F(xiàn)象

從時頻譜及切片譜的對比分析中能看到,振動異常狀態(tài)的時頻譜中渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)明顯或伴隨出現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)頻高次諧波。針對這兩種異?，F(xiàn)象分析如下。

1)渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)明顯,且與轉(zhuǎn)速平方呈正相關(guān):轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生不平衡時,理論上離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。但在轉(zhuǎn)子到軸承、軸承到殼體的振動傳遞路徑上,存在軸承與轉(zhuǎn)子的接觸非線性以及連接非線性的影響,殼體上測得的振動隨轉(zhuǎn)速的增加而加大,不一定與轉(zhuǎn)速平方完全成正比。

2)伴隨渦輪轉(zhuǎn)頻的3倍頻、4倍頻及非整數(shù)倍頻的諧波:通常研究認(rèn)為,若3倍頻處峰值最大,預(yù)示軸與軸承間存在松動;若4倍頻處有峰值,表明軸承本身松動。同時松動也可能表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子的半周期倍頻,如2.5倍頻等。起動機在運行一段時間后,可能會由于軸徑磨損、軸承間隙過大、裝配偏差等原因產(chǎn)生松動。根據(jù)試驗經(jīng)驗,存在振動異常時將起動機進(jìn)行拆解再裝配時,能夠降低振動幅值。在拆解再裝配的過程中,有時并未更換部件,或僅調(diào)換波浪圈來改變渦輪上角接觸球軸承的預(yù)緊力,這也驗證了振動異?？赡軄碜杂谘b配的偏差或彈簧疲勞時預(yù)緊力降低導(dǎo)致的軸承松動。

3 結(jié)語

空氣渦輪起動機工作過程的振動信號具有時變性,尤其是出現(xiàn)振動異常時,呈現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特征。本文采用短時傅里葉變換對起動機正常及異常狀態(tài)下的時頻譜和切片譜進(jìn)行對比分析,找出了導(dǎo)致振動異常的零部件及裝配因素。分析結(jié)果與試驗中可能存在的裝配偏差形成了驗證,能夠為空氣渦輪起動機后續(xù)試驗的異常振動診斷提供一定的理論依據(jù)。