基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)

曹繼來，洪偉榮，李 穎，宣海軍

（浙江大學化工過程機械研究所，杭州310007）

0 引言

航空發(fā)動機在工作轉速下運轉時，輪盤和轉鼓環(huán)意外破裂所產生的碎塊具有極高的能量，會導致發(fā)動機嚴重受損[1]。為避免高能碎片穿透機匣，對飛機其他部件造成二次傷害，試飛前需要對發(fā)動機機匣包容能力進行試驗。航空強國對發(fā)動機包容問題的研究都非常重視，在民、軍用航空發(fā)動機規(guī)范中都有專門條文對包容性作出嚴格規(guī)定[2]。航空發(fā)動機包容試驗內容之一是研究葉片飛斷及機匣內側受斷裂葉片撞擊刮擦情況[3]，要求對必要的試驗數(shù)據(jù)進行記錄采集。在浙江大學化工機械研究所高速旋轉實驗室所進行的多次航空發(fā)動機包容試驗中，葉輪在預置缺陷的情況下，其爆裂飛出轉速要在70000r/min以上。假設葉輪在轉速70000r/min時發(fā)生葉片飛斷，此時葉輪旋轉1周用時為8.6×10-4s，此時葉片飛斷時間極短，給試驗研究工作帶來了較大困難。試驗中能否及時有效地控制高速攝像機、應變儀及其示波器等相關設備對葉輪爆裂時刻的數(shù)據(jù)采集成為試驗成敗的關鍵。在以往的機匣包容試驗中，由于機匣和葉輪之間存在較大的間隙，數(shù)據(jù)采集設備主要采用其間纏繞通電線圈的方式進行控制，飛斷葉片割斷通電線圈從而為數(shù)據(jù)采集設備控制端提供1個正向或負向電壓脈沖，從而控制數(shù)據(jù)采集設備進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集設備自身內存可以保存觸發(fā)時刻之前一段時間內的數(shù)據(jù)，切斷通電線圈的延遲時間小于設備內存保存的觸發(fā)前數(shù)據(jù)，故傳統(tǒng)的割斷觸發(fā)線圈的觸發(fā)方式準確可靠，能夠及時準確地控制數(shù)據(jù)采集設備。而對于葉輪與機匣之間的間隙在0.5mm以內時，其間沒有足夠的空間放置通電線圈的情況，傳統(tǒng)的割斷通電線圈的觸發(fā)方式不能滿足試驗要求，需要尋找新的觸發(fā)方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設備的控制[4]。

為了在切斷通電線圈不能應用的場合實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設備及時準確地控制[5-7]，自行開發(fā)了基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)的工作原理和功能進行詳細介紹，并通過試驗對系統(tǒng)性能進行驗證。

1 觸發(fā)系統(tǒng)

基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)[8]（如圖1所示）主要包括振動信號采集系統(tǒng)、觸發(fā)控制系統(tǒng)、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、觸發(fā)延時測試系統(tǒng)等，其中觸發(fā)控制系統(tǒng)為基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)的核心部分；振動信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)對高速旋轉軸振動信號的采集，提供可靠的觸發(fā)信號源；觸發(fā)電路實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時控制，采集葉輪破裂時刻相關數(shù)據(jù)信息；觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)觸發(fā)延時性能的評估，通過對整個系統(tǒng)中主要元件的電位變化通過LabVIEW程序進行采集，對電位變化的時間差進行評估。

圖1 機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)組成

2 觸發(fā)系統(tǒng)工作原理

2.1 振動信號采集系統(tǒng)

振動信號采集系統(tǒng)主要包括電渦流位移傳感器和前置變換器，其中電渦流位移傳感器運用感應電渦流原理[9-12]，即高頻交變磁場在金屬表面感應產生電渦流，如圖2所示。

圖2 電渦流位移傳感器原理

前置變換器主要包括振蕩器、源極輸出、正反饋放大器、檢波濾波4部分[12]。其中振蕩器供給傳感器線圈高頻振蕩訊號，由正反饋放大器將傳感器的輸出電信號加以放大驅動負載，高頻載波信號經檢波濾波得到直流信號，最后得到的直流信號作為觸發(fā)信號源送到位移振幅測量儀[9]。

2.2 觸發(fā)信號控制系統(tǒng)及觸發(fā)電路

觸發(fā)控制系統(tǒng)及觸發(fā)電路主要由位移振幅測量儀和繼電器控制電路組成。其中位移振幅測量儀主要包括直流放大器、交流放大器、雙峰檢測電路、報警電路和穩(wěn)壓電源等。直流放大器包括運算放大器IC1和IC2構成的電壓放大部分及三極管組成的電流放大部分，前置器輸出信號經過直流放大器的信號放大處理，產生與位移量相關的電壓輸出；交流放大器位于直流放大器之后，由運算放大器IC3和三極管電流放大器組成，直流放大器放大處理后的信號經過交流放大器進一步放大，產生與振幅量相關的電壓輸出；峰峰檢測電路主要由正、負峰檢波器及差動輸入級組成，交流放大器輸出端信號被送入雙峰檢測電路，測量振動峰峰值[9]；報警電路主要包括開環(huán)放大器和積分器，當振幅值超過設定值時，開環(huán)放大器反轉，積分電路積分延時達到設定時間后，驅動繼電器動作，報警輸出觸點斷開。在振幅測量時，當振動超過預先設定的報警值時，設備發(fā)出報警訊號同時控制內置的繼電器開關動作，實現(xiàn)觸發(fā)功能。試驗中位移振幅測量儀采用浙江大學自儀小組自主研發(fā)的ZZF型位移振幅測量儀，工作原理如圖3所示[12]。

圖3 位移振幅測量儀原理

位移振幅測量儀延時報警功能主要由定時和觸發(fā)報警電路實現(xiàn)，其中定時電路用于檢測輸入信號中高電平及高電平維持時間，當輸入信號的維持時間大于延時時間t 時，觸發(fā)報警電路。合理地設置t，使觸發(fā)達到快速響應，同時又有效地避免外界短暫的干擾[13]。觸發(fā)電路由位移振幅測量儀、繼電器、高速攝像機、示波器、應變儀以及相應的屏蔽信號線組成。其中位移振幅測量儀作為觸發(fā)控制系統(tǒng)的的核心，對觸發(fā)電路性能好壞起到了決定性作用；繼電器是高速攝像機、示波器、應變儀的主控元件，要求其動作響應迅速，延遲時間小。觸發(fā)電路原理如圖4所示。

圖4 觸發(fā)電路原理

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設備采用美國NI公司生產的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，最大采樣頻率為50kHz。采集程序應用配套的LabVIEW軟件自行編寫的采樣程序，采集通道運用差分輸入模式，單通道采樣率為10240 Hz。試驗需要采集的物理量為旋轉軸的振動信號，合理地進行采集電路的連接即可完成數(shù)據(jù)采集任務[14]。

2.4 觸發(fā)延時測試系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，由外界振動信號引起的觸發(fā)具有一定的時序性。觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于評估電路延時性能，通過LabVIEW程序對電路中不同元件的電位變化進行采集，由于不同元件采集得到的數(shù)據(jù)具有相同的時間基準，利用采集得到的電位數(shù)據(jù)繪制時域曲線，比較不同元件的電位變化的時間差值，達到對整個系統(tǒng)的觸發(fā)延時性能評估的目的。在系統(tǒng)工作時，外界振動信號要主要經過電渦流位移傳感器、前放大置器、位移振幅測量儀、繼電器開關等，最終控制相應的數(shù)采設備工作。依據(jù)信號的傳輸過程，依次選取傳輸通道上的V1、V2、V3、V4、V55個位置進行電位采集。測點V1為位移振幅測量儀電平輸出端與COM端的電位，其電位變化反映了旋轉軸的振動情況，得到觸發(fā)信號源滿足觸發(fā)條件的時刻值。電阻R1、R2為2個串聯(lián)的電阻，其阻值均為1kΩ，測70B9V2為電阻1兩端的電壓值；測點V2的電位變化反映了位移振幅測量儀ALARM與ON端口開啟與閉合情況，從數(shù)據(jù)中可以讀出位移振幅測量儀繼電器觸點的動作時刻；在測點V3、V4、V5分別測試高速相機、應變儀、示波器輸入信號電位變化情況，分析電位變化可以得出相應元件的工作時刻。

3 試驗結果

觸發(fā)的及時性和有效性是觸發(fā)系統(tǒng)性能評估的重要指標，要求在振動信號產生階躍突變的瞬間，實現(xiàn)觸發(fā)功能，控制內置繼電器觸點斷開，達到控制后置數(shù)據(jù)采集設備目的；同時該系統(tǒng)還能有效地避免外界干擾信號對觸發(fā)的影響，防止因誤觸發(fā)而導致試驗失敗。

3.1 觸發(fā)系統(tǒng)延時測試

在試驗前，需要對觸發(fā)延時性能進行評估。高速相機、應變儀、示波器本身的動作時間非常短，可以忽略，故測點V3、V4、V5的動作時刻可近似為繼電器KM觸點的。根據(jù)使用的繼電器的制造工藝參數(shù)可知，其動作時間在20ms以內。通過LabVIEW程序對測點V1、V2電位變化采集估算位移振幅測量儀從接收到信號到內置繼電器觸點動作的時間差。

在延時性能測試時采用電壓信號來替代前置變換器的輸出信號，測點V1、V2的電位變化情況分別如圖5、6所示。從圖中可見，測點V1、振幅位移測量儀電平輸出端電壓和測點V2電壓值從高到低電位的突變時刻分別為第11.16和11.24s，振幅位移測量儀從接收振動信號突變到控制內置繼電器觸點動作延時為0.08s。對于數(shù)據(jù)采集設備，具有一定的緩沖數(shù)據(jù)存儲功能，可以保存在觸發(fā)發(fā)生前一定時間段的數(shù)據(jù)。在試驗中，為兼顧圖像清晰度與存儲容量的矛盾，高速相機采樣幀頻設置為10000，采用CENTRE觸發(fā)模式，緩沖數(shù)據(jù)保存時間為0.9s。試驗室應變采集采用EDX2000A動態(tài)數(shù)采儀，采集到撞擊瞬間機匣應變數(shù)據(jù)設置采樣頻率為200kHz，可以保存觸發(fā)前0.3s內的數(shù)據(jù)。示波器采用具有外觸發(fā)式多通道數(shù)字存儲示波器，其采樣率可以設置較高值。試驗中設采樣頻率為50MHz，觸發(fā)前數(shù)據(jù)保存時間為2s。通過分析得出，系統(tǒng)總的延時時間為振幅位移測量儀和繼電器延時時間之和約為0.1s，而數(shù)據(jù)采集設備緩沖數(shù)據(jù)存儲時間遠大于0.1s，故觸發(fā)系統(tǒng)可以較好地完成試驗。

圖5 測點V1電平輸出信號

圖6 測點V2電壓信號

3.2 包容試驗分析

在航空發(fā)動機機匣包容試驗中，合理設置參數(shù)是試驗順利完成的保障。低頻電子設備普遍存在受50 Hz工頻干擾的現(xiàn)象[15]，因此，位移振幅測量儀的延時時間要大于該值，試驗中延時時間設置為0.05s，以有效避免因工頻干擾而引起誤觸發(fā)。在試驗中，由于輪盤預置裂紋破壞了對其自身平衡性能，系統(tǒng)經過臨界轉速時的增速頭內高速柔性軸振幅約為0.300mm，葉輪爆裂高速柔性軸的振幅一般在0.600mm以上，為避免因高速旋轉軸經過臨界轉速時振幅增加引起誤觸發(fā)，將位移振幅測量儀預定報警值設定為0.500mm。高速相機拍攝到的葉片飛出時刻的照片如圖7所示。從圖中可見，下方開始有部分葉片輪盤飛出。示波器有效采集得到相差90°方向旋轉軸振動波形，輪盤爆裂后旋轉軸的振動數(shù)據(jù)也得到有效采集，旋轉軸的劇烈振動維持時間約為45.6ms，如圖8所示。

圖7 葉片飛出時高速相機照片

圖8 觸發(fā)前后示波器數(shù)據(jù)

4 總結

基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)有效地控制了高速相機、應變儀、示波器，較好地采集到葉輪飛斷時刻的數(shù)據(jù)，從而在切斷通電線圈不能應用的場合實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設備及時準確地控制。

致謝

感謝中航工業(yè)航空動力機械研究所對航空發(fā)動機機匣包容試驗的數(shù)據(jù)采集工作給予支持和幫助！

[1]陳光.航空發(fā)動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：548-552.CHEN Guang.Aircraft engine structure design and analysis[M].Beijing：Beihang University Press，2006：548-552.(in Chinese)

[2]宣海軍，陸曉，洪偉榮.航空發(fā)動機機匣包容性研究綜述[J].航空動力學報，2010，25（8）：1860-1870.XUAN Haijun，LU Xiao，HONG Weirong.Review of aeroengine case containment research[J].Journal of Aerospace Power，2010，25（8）：1860-1870.(in Chinese)

[3]Ministry of Defense.Defense standard 00-971：general specification for aircraft gas turbine engines[S].United Kingdom：Ministry of Defense，1987.

[4]林左鳴.戰(zhàn)斗機發(fā)動機的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空發(fā)動機，2006，32（1）：1-8.LIN Zuoming.The current development and future trends of fighter engines[J].Aeroengine，2006，32（1）：1-8.(in Chinese)

[5]韓永強，李泳凡，任文成.航空發(fā)動機葉片包容性試驗技術初探[J].航空發(fā)動機，2009，35（3）：50-53.HAN Yongqiang，LI Yongfan，REN Wencheng.Preliminary investigation of aeroengine blade containment testing technique[J].Aeroengine，2009，35（3）：50-53.(in Chinese)

[6]宣海軍，洪偉榮，吳榮仁.航空發(fā)動機渦輪葉片包容試驗及數(shù)值模擬[J].航空動力學報，2005，20（5）：762-767.XUAN Haijun，HONG Weirong，WU Rongren.Aeroengine turbine blade containment tests and numerical simulation [J].Journal of Aerospace Power，2005，20（5）：762-767.(in Chinese)

[7]張曉峰，宣海軍，吳榮仁.航空發(fā)動機葉片包容模擬試驗與數(shù)值仿真研究[J].航空發(fā)動機，2005，31（4）：39-42.ZHANG Xiaofeng，XUAN Haijun，WU Rongren.Experimental investigation and numerical simulation of aeroengine blade containment[J].Aeroengine，2005，31（4）：39-42.(in Chinese)

[8]范志強，高德平，覃志賢，等.航空發(fā)動機真實機匣的包容性試驗[J].航空動力學報，2007，22（1）：18-22.FAN Zhiqiang，GAO Deping，TAN Zhixian，et al.Experimental study of real casing containment[J].Journal of Aerospace Power，2007，22（1）：18-22.(in Chinese)

[9]譚祖根，汪樂宇.電渦流檢測技術[M].北京：原子能出版社，1986：49-51.TAN Zugen，WANG Leyu.Eddy current testing[M].Beijing：Atomic Energy Press，1986：49-51.(in Chinese)

[10]楊理踐，劉佳欣，高松巍.大位移電渦流傳感器的設計[J].儀表技術與傳感器，2009（2）：11-13.YANG Lijian，LIU Jiaxin，GAO Songwei.Design for large range electric eddy current sensor[J].Instrument Technique and Sensor，2009（2）：11-13.(in Chinese)

[11]張輝，李忠正，范文.電渦流傳感器測量旋轉齒盤位移的特性研究[J].振動、測試與診斷，2008，28（1）：44-49.ZHANG Hui，LI Zhongzheng，F(xiàn)AN Wen.Research of rotary gear disk displacement testingwith aeddy current sensor[J].Journal of Vibration，Measurment and Diagnosis，2008，28（1）：44-49.(in Chinese)

[12]自儀教研室渦流測振儀小組.ZZF-5310型電渦流式位移振幅測量儀[J].浙江大學學報，1978，1（1）：15-24.Group of Eddycurrent Transducer.ZZF-5310 type eddy current displacement amplitude measurement instrument[J].Journal of Zhejiang University，1978，1（1）：15-24.(in Chinese)

[13]莊靜蓮，邵丙銑.一種具有延時功能的報警電路[J].微電子學，2000，30（6）：434-436.ZHUANG Jinglian，SHAO Bingxian.Design of a time delayed alarm circuit[J].Microelectronics，2000，30（6）：434-436.(in Chinese)

[14]李揚，李曉明.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)[J].微計算機應用，2003，24（1）：38-40.LI Yang，LI Xiaoming.Realization of data acquisition based on Lab-VIEW[J].Journal of Aerospace Power，2003，24（1）：38-40.(in Chinese)

[15]魯連鋼.濾除50Hz工頻干擾的濾波電路設計[J].遼寧師專學報，2012，14（1）：90-92.LU Liangang.Filter circuit design of 50 Hz frequency interference[J].Journal of Liaoning Teachers College，2012，14（1）：90-92.(in Chinese)