航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究經(jīng)多年的使用和大量的故障研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的故障對(duì)飛行安全有很大的影響，尤其在振動(dòng)方面，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)故障的模式多樣，振動(dòng)故障一旦發(fā)生釀成事故，所造成的影響和后果也不堪設(shè)想。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與振動(dòng)故障的診斷也受到各國的高度重視。國外有關(guān)資料報(bào)道，采用健康管理的方法，可發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的 34%的機(jī)械故障，節(jié)省75% 的維修費(fèi)用。因此，健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析己成為保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全的重要措施之一。發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)主要監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障，這里主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載振動(dòng)方而進(jìn)行闡述。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄不同狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，以

2、便采用多種分析手段獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特征，為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障模式判別打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)保證飛行安全、提高飛機(jī)的完好出勤率將起到重要的作用。目前， 軍用發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)在航空發(fā)達(dá)國家己得到廣泛的應(yīng)用，而我國大型軍用健康管理技術(shù)的應(yīng)用研究還處于起步階段，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)方面。木文針對(duì)大型軍用發(fā)動(dòng)機(jī), 提出了發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)載振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與告警功能。1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)研制需求機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和壽命管理等重要功能的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)，是健康管理的重要功能之一，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)由定期維護(hù)向視情維護(hù)模式的

3、轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在飛行過程中連續(xù)的實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)和其他參數(shù)，能夠?qū)收咸卣鬟M(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)實(shí)時(shí)振動(dòng)值向飛機(jī)座艙發(fā)出告警信息，飛行結(jié)束后，使用地面設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)的振動(dòng)信息進(jìn)行回放分析。綜上所述，健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)具備如下功能：發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄；）振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至飛機(jī)座艙實(shí)時(shí)顯示；監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)，出現(xiàn)振動(dòng)故障時(shí)進(jìn)行告警。發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前大型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)仍使用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)總量的方式進(jìn)行監(jiān)控, 不能對(duì)振動(dòng)故障特征進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。本文針對(duì)某大型發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了機(jī)載健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并設(shè)計(jì)

4、了健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載振動(dòng)實(shí)時(shí)處理分析、告警與存儲(chǔ)的功能。機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件 TOC o 1-5 h z 機(jī)載健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由振動(dòng)傳感器、振動(dòng)采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用加速度振動(dòng)傳感器。振動(dòng)采集單元與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元均為機(jī)載設(shè)備，采用國產(chǎn)自研方式實(shí)現(xiàn)硬件的研制。健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用的加速度傳感器，與傳統(tǒng)速度傳感器相比，具有體積小、質(zhì)量輕、頻響范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。這里采用初燈加速度傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇與渦輪位置的振動(dòng)。振動(dòng)采集單元主要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，將壓電式傳感器發(fā)出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換放大為時(shí)域電壓信號(hào)，進(jìn)行快速傅立葉變換和相關(guān)運(yùn)算后輸出，振動(dòng)采集單元主要

5、由電荷放大器、濾波器、采集器、信號(hào)分析等部分組成。這里主要對(duì)振動(dòng)采集單元硬件設(shè)計(jì)提出三項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，需要設(shè)計(jì)高通濾波器。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，加速度振動(dòng)傳感器易受到溫度影響，輸出類似直流電的信號(hào)，造成振動(dòng)采集單元接收的振動(dòng)信號(hào)過大，會(huì)在低頻區(qū)域產(chǎn)生影響。在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了此類問題，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，在低頻區(qū)域出現(xiàn)了較大的振動(dòng)幅值, 直流分量加速度高達(dá)360G,影響振動(dòng)的測(cè)量。所以在振動(dòng)采集單元中需要設(shè)計(jì)高通濾波器，采集頻率下限設(shè)置應(yīng)不小于lHZo第二，需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牡屯V波器和振動(dòng)采集范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行境復(fù)雜，會(huì)在高頻區(qū)域產(chǎn)生很高的加速度值，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)飽和問題。如圖 2 所示， 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)

6、行過程中，渦輪垂直測(cè)點(diǎn)測(cè)量的振動(dòng)值出現(xiàn)異常。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于振動(dòng)測(cè)量值振動(dòng)總量過大，且直流分量過高，導(dǎo)致電荷放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。圖1 中下方振動(dòng)顯示由于電荷放大器逐漸恢復(fù)過程產(chǎn)生的波形。所以在設(shè)計(jì)硬件時(shí)需要采用合適的振動(dòng)采集范圍，同時(shí)需要設(shè)計(jì)低通濾波器處理多余的過高的振動(dòng)頻率幅值。第三，設(shè)置合適的采樣頻率，避免混疊現(xiàn)象出現(xiàn)。信號(hào)處理部分主要完成快速傅立葉變換的工作，提取振動(dòng)信號(hào)在特定頻率的幅值。在得到的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜中，除需關(guān)注的對(duì)應(yīng)故障特征的振動(dòng)頻率外，還可能包含很多其他成分，且信號(hào)的幅值較大，需要進(jìn)行處理。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率必須大于所采樣信號(hào)帶寬的二倍時(shí)，才能避免出現(xiàn)信號(hào)混疊現(xiàn)

7、象。所以，在硬件設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)信號(hào)帶寬，選擇合適的采樣頻率。在工程應(yīng)用中，一般使用采集帶寬的四倍作為采樣頻率，才能準(zhǔn)確測(cè)量振動(dòng)。健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件主要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)處理分析、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)告警和振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括振動(dòng)信號(hào)基頻，振動(dòng)特征倍頻，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)速、溫度等重要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載振動(dòng)告警的延遲可能導(dǎo)致飛機(jī)不可挽回的重大事故,所以機(jī)載振動(dòng)告警必須具有高實(shí)時(shí)性。但同時(shí)要采集、存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，這將占據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間，在與保證實(shí)時(shí)性方而存在矛盾。所以，這里采用多線程技術(shù)解決振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性問題。多線程技術(shù)，即在一段時(shí)間內(nèi)并行執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，該技術(shù)能夠有效的

8、提高執(zhí)行效率。機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件包括數(shù)據(jù)接收、處理分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三個(gè)任務(wù)，使用多線程思想，在一段時(shí)間內(nèi)并行執(zhí)行，加快程序的反應(yīng)速度，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件采用緩沖池存放接收到的數(shù)據(jù)，并使用信號(hào)量機(jī)制完成多線程的操作。健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)接收任務(wù)采用端口監(jiān)聽方式接收數(shù)據(jù)包，將解析數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖池中。處理分析任務(wù)完成于故障特征的符合性分析，當(dāng)振動(dòng)超限時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，通過從數(shù)據(jù)緩沖池中獲取數(shù)據(jù)，并將所需數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。系統(tǒng)設(shè)置了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度方式，優(yōu)先級(jí)以及周期時(shí)間等屬性。同時(shí)為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)接

9、收任務(wù)設(shè)置最高的優(yōu)先級(jí)。在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，執(zhí)行處理分析任務(wù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)設(shè)置最低的優(yōu)先級(jí)，在其他任務(wù)完成后在空閑時(shí)間完成該任務(wù)。試驗(yàn)驗(yàn)證 TOC o 1-5 h z 為驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)與地而振動(dòng)采集設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方案在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上使用機(jī)載健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)值，同一時(shí)段使用地而振動(dòng)采集設(shè)備公司數(shù)據(jù)采集卡與分析軟件）對(duì)相同位置振動(dòng)傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，將兩組測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)方案連接如圖 3 所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)不同的時(shí)刻相同的轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)值不相同，需要同時(shí)測(cè)量。但由于壓電式振動(dòng)傳感器輸出為電荷量，無法同時(shí)連接兩套測(cè)試電路。 所以， 要求發(fā)動(dòng)機(jī)在固定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5? 10 分鐘， 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定后，使用地面設(shè)備記錄發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪垂直測(cè)點(diǎn)振動(dòng)基頻幅值，斷開連接電路，在轉(zhuǎn)速不變的前提下，接入機(jī)載健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄相同位置振動(dòng)基頻幅值。在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速段下運(yùn)行多次試驗(yàn)，對(duì)比振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果分析健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與地而振動(dòng)采集設(shè)備測(cè)量的振動(dòng)幅值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。優(yōu)表中可以看出使用兩套設(shè)備測(cè)量的振動(dòng)幅值一致，表明使用機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。結(jié)論本文提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在硬件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和軟件設(shè)計(jì)，并在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了驗(yàn)證工作，試驗(yàn)