航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障特征提取方法研究

■ 孔祥興 范滿意 王志強(qiáng) / 中國航發(fā)研究院 張瑞 / 中國航發(fā)動(dòng)力所

航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境容易導(dǎo)致故障發(fā)生，輕則引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，重則會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，誘發(fā)飛行事故。監(jiān)測(cè)、跟蹤、評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況，快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、定位潛在故障部位，對(duì)于增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、降低維修成本具有重要意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于使用損耗、設(shè)計(jì)缺陷、外物損傷等原因，會(huì)引發(fā)不同類型故障模式的產(chǎn)生，如葉片掉塊、斷裂和軸承、齒輪磨損等，如圖1所示。當(dāng)前，很多發(fā)動(dòng)機(jī)用戶對(duì)于危害性處于輕度或臨界范疇的大部分故障模式，只能通過地面孔探儀檢查的方式探測(cè)故障，無法為飛行員、后勤及維修人員提供及時(shí)有效的故障預(yù)報(bào)信息。而預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)人員可以通過故障診斷、預(yù)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)、隔離，以及早期征候預(yù)報(bào)。

不同的故障模式產(chǎn)生后，會(huì)引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)部件特性的改變，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)偏離健康基準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性狀態(tài)量（如壓氣機(jī)流量、效率）較健康基準(zhǔn)的偏移量稱為故障因子，是故障影響傳遞的因變量，往往是不可測(cè)參數(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)可測(cè)量的工作參數(shù)較健康基準(zhǔn)的偏移量稱為征兆量。借助數(shù)學(xué)方法在全部征兆量之中提取對(duì)故障模式敏感性高、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、但相互之間相關(guān)性較弱的可測(cè)工作參數(shù)，即為故障特征的提取。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片掉塊故障示例

故障特征作為故障的判定依據(jù)，是故障診斷、預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與核心要素。當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造廠所對(duì)故障模式及影響開展失效模式和影響分析（FMEA），通常通過機(jī)理分析故障產(chǎn)生原因，并定性描述故障的影響效果，主要目的是為了尋求排故的解決方案，并不能作為準(zhǔn)確、量化的故障診斷、預(yù)測(cè)判定依據(jù)，而通過數(shù)學(xué)分析的方法，建立同時(shí)包含關(guān)鍵征兆參數(shù)種類和偏移量信息的故障特征，才可以滿足診斷算法構(gòu)建故障判據(jù)的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障的發(fā)生，會(huì)引起溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等氣動(dòng)熱力參數(shù)及振動(dòng)參數(shù)的變化，對(duì)于同一型發(fā)動(dòng)機(jī)，相同的故障模式引起的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)變化具有相似性。對(duì)這種由故障模式引起的測(cè)量參數(shù)相對(duì)于正?；鶞?zhǔn)的偏移規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與量化描述，可作為特定故障模式的故障特征，為故障診斷算法的設(shè)計(jì)和判定提供依據(jù)。本文介紹一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)歷史故障數(shù)據(jù)來分析和提取故障特征的方法。

故障特征提取方法總體方案

基于發(fā)動(dòng)機(jī)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征提取，需要開展如下工作。

首先，需要對(duì)原始試車數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。發(fā)動(dòng)機(jī)原始試車數(shù)據(jù)為整個(gè)試車過程中測(cè)量工作參數(shù)的時(shí)序信號(hào)，信號(hào)中包括穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)數(shù)據(jù)，且夾雜各種噪聲。預(yù)處理工作包括測(cè)量數(shù)據(jù)有效性檢查、信號(hào)濾波、穩(wěn)態(tài)點(diǎn)選取和截?cái)?、?shù)據(jù)特征初步分析等。

其次，計(jì)算所有測(cè)量參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)故障前后的偏移量。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生氣路部件故障后，會(huì)引起氣動(dòng)熱力工作參數(shù)的明顯偏移；同時(shí)，如果氣路部件故障（如葉片掉塊、斷裂等）導(dǎo)致部件的質(zhì)量損失則會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特征的變化。

最后，根據(jù)所有測(cè)量參數(shù)對(duì)于故障的響應(yīng)情況，提取故障特征參數(shù)。分析和辨識(shí)對(duì)于故障模式響應(yīng)敏感性高、關(guān)聯(lián)度強(qiáng)的測(cè)量參數(shù)，并確定這些測(cè)量參數(shù)的偏移量閾值，綜合表征故障特征。

故障特征提取方法的關(guān)鍵

圖2 基于試車數(shù)據(jù)的故障特征提取總體方案

綜上所述，確定基于數(shù)據(jù)的故障特征提取總體方案如圖2所示。其中，根據(jù)前期的研究表明，故障特征提取方法的關(guān)鍵是確定相應(yīng)故障模式的征兆特征。

發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)中可作為故障特征量的參數(shù)主要包括各截面溫度、壓力以及轉(zhuǎn)速等氣動(dòng)熱力測(cè)量參數(shù)和振動(dòng)測(cè)量參數(shù)。所謂故障特征提取即通過定性、定量的數(shù)據(jù)分析選取與能夠表征特定的故障模式的測(cè)量參數(shù)類型及偏移量門限值，且確定故障特征結(jié)果需便于進(jìn)行故障模式的判定和分類。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式選取相應(yīng)的試車數(shù)據(jù)后，分別對(duì)氣動(dòng)熱力參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行故障特征提取。

一方面，對(duì)于氣動(dòng)熱力參數(shù)提取流程包括信號(hào)預(yù)處理、偏移量求解、敏感相關(guān)性分析、門限值求解等四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，信號(hào)預(yù)處理將臺(tái)架試車數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查、信號(hào)濾波、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提取與截?cái)?、故障時(shí)刻初步分析等；偏移量求解采用相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)求解測(cè)量參數(shù)的偏移量；敏感性、相關(guān)性分析采用相關(guān)理論算法辨識(shí)對(duì)故障敏感性高、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的測(cè)量參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，確定故障特征參數(shù)的類別；門限值優(yōu)化采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化等算法確定滿足應(yīng)用范圍要求的參數(shù)偏移量的故障門限值。

另一方面，對(duì)于振動(dòng)參數(shù)提取流程包括信號(hào)預(yù)處理、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換、頻譜分析等三個(gè)環(huán)節(jié)。其中，信號(hào)預(yù)處理對(duì)臺(tái)架高頻原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行平滑濾波、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提取與截?cái)唷⑿盘?hào)物理值解析；時(shí)頻域轉(zhuǎn)換采用快速傅里葉變換（FFT），將振動(dòng)信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)；頻譜分析對(duì)頻域振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，總結(jié)歸納故障征兆特征。最終，將氣路參數(shù)特征和振動(dòng)參數(shù)特征確定為相應(yīng)故障模式的征兆特征。

應(yīng)用實(shí)例分析

針對(duì)上述方案的可行性，本文利用一型發(fā)動(dòng)機(jī)的試車數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證工作的重點(diǎn)為氣路和振動(dòng)參數(shù)的處理與特征分析。

氣路參數(shù)處理結(jié)果與特征分析

因航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路參數(shù)的復(fù)雜性以及試車數(shù)據(jù)中有可能出現(xiàn)的偏差，需要先對(duì)其進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，求解出參數(shù)的偏移量，然后篩選出敏感性高的參數(shù)加以分析，確定參數(shù)的參考門限值，具體流程如下。

信號(hào)預(yù)處理。對(duì)于相同的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，幾次試車之間測(cè)量參數(shù)存在一定的偏差，造成這種偏差的原因主要包括三方面：不同試車次大氣環(huán)境存在差異；控制精度影響；故障造成工作參數(shù)偏移。所以，應(yīng)首先對(duì)試車數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理。

偏移量求解。測(cè)量參數(shù)換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件后相同工作狀態(tài)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已經(jīng)對(duì)齊，第5次前后試車數(shù)據(jù)（如壓氣機(jī)出口總壓、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇外涵總壓等）參數(shù)表現(xiàn)出明顯的偏移特征，利用基線模型計(jì)算各個(gè)參數(shù)的偏移量，如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)偏移量計(jì)算

敏感性相關(guān)性分析。 綜合分析試車數(shù)據(jù)相對(duì)于性能基線的偏移程度，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量參數(shù)在不同試的車中，故障后相對(duì)基線偏移狀態(tài)基本一致，穩(wěn)態(tài)偏移量大代表該參數(shù)對(duì)于故障模式的響應(yīng)度更高、敏感性更強(qiáng)。根據(jù)參數(shù)偏移量對(duì)于故障的響應(yīng)幅值，對(duì)敏感性進(jìn)行量化評(píng)估。其中，兩個(gè)甚至更多的參數(shù)對(duì)故障有相似的敏感性，為了去除在敏感性方面比較類似的參數(shù)，很有必要進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的相關(guān)性分析。故障發(fā)生后，各個(gè)參數(shù)偏移量之間的相關(guān)系數(shù)采用0～1之間數(shù)值表示，1表示相關(guān)程度最高，0表示無相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)在0.8以上的參數(shù)視為相關(guān)性較強(qiáng)，以下為弱相關(guān)性參數(shù)。本案例選擇的特征參數(shù)原則主要包括3項(xiàng)條件：敏感性評(píng)估排名前15位的測(cè)量參數(shù)；相關(guān)系數(shù)在0.75以下的測(cè)量參數(shù)；盡量保證測(cè)量參數(shù)類型齊全。氣動(dòng)熱力特征參數(shù)類型選擇結(jié)果包括：壓氣機(jī)出口總壓p3、燃油總管壓力pf、主燃油流量Wf、風(fēng)扇外涵總壓p13、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1、渦輪后總壓p6、渦輪后總溫T6、風(fēng)扇內(nèi)涵總溫T16。

門限值求解。通過敏感性、相關(guān)性分析，選取壓氣機(jī)出口總壓p3、燃油總管壓力pf等8個(gè)氣動(dòng)熱力參數(shù)作為特征參數(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的特定穩(wěn)定狀態(tài)下（本文以慢車狀態(tài)為例），對(duì)試車數(shù)據(jù)偏移量的情況進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，由于試車過程偏移量變化情況相近，也有利于確定特征參數(shù)的故障參考門限值，如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)熱力故障特征參數(shù)參考門限值

圖5 慢車狀態(tài)風(fēng)扇機(jī)匣垂直振動(dòng)頻譜對(duì)比

振動(dòng)參數(shù)處理結(jié)果與特征分析

根據(jù)振動(dòng)參數(shù)的特點(diǎn)，需要先對(duì)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，最后進(jìn)行頻譜分析，具體過程如下。

信號(hào)預(yù)處理。振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)包括進(jìn)氣機(jī)匣垂直、水平方向，中介機(jī)匣垂直、水平方向，以及渦輪機(jī)匣垂直、水平方向。信號(hào)預(yù)處理工作主要對(duì)時(shí)域的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)截?cái)?，包括發(fā)動(dòng)機(jī)上升狀態(tài)和下降狀態(tài)。

時(shí)域頻域變換。利用FFT變換將試車時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。將4次試車數(shù)據(jù)振動(dòng)頻譜繪制在同一頻譜圖（如圖5所示），圖像顯示第5次、第9次振動(dòng)基頻幅值明顯高于第3次、第4次試車，反映出葉片故障后由于轉(zhuǎn)子不平衡量的產(chǎn)生導(dǎo)致基頻振動(dòng)幅值增加。所以，高、低壓轉(zhuǎn)子基頻幅值增加可能作為參考故障特征。圖中顯示，幾次試車過程振動(dòng)幅值都沒有超過發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)安全閾值，這恰恰說明通過頻譜分析能夠在故障發(fā)展至振動(dòng)信號(hào)超限之前對(duì)故障進(jìn)行早期檢測(cè)和診斷。

頻譜分析。為了確定故障發(fā)生后準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào)特征，進(jìn)一步綜合試車數(shù)據(jù)中6個(gè)測(cè)點(diǎn)位置、6個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)頻譜開展了細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)：一是多測(cè)點(diǎn)位置高壓轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)顯著增大，一致性高；二是中介機(jī)匣垂直方向低壓轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值普遍增加；三是高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工頻fN2的倍頻明顯，可能存在不對(duì)中或轉(zhuǎn)靜子碰摩，或由于機(jī)匣的橢圓度引發(fā)；四是根據(jù)組合頻率3fN2+fN1、2fN2+fN1及4fN2-fN1等， 高 壓轉(zhuǎn)子可能存在輕微碰摩。

通過對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)綜合分析得出結(jié)論：多處測(cè)量位置高壓轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)顯著增大以及中介機(jī)匣垂直方向低壓轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值增加可認(rèn)定為這組振動(dòng)信號(hào)的特征。上述分析的第三條、第四條特點(diǎn)說明高壓轉(zhuǎn)子基頻振幅增加主要是由高壓轉(zhuǎn)子存在碰摩引發(fā)；低壓轉(zhuǎn)子由于渦輪葉片掉塊導(dǎo)致質(zhì)量不平衡引發(fā)基頻振幅增加，并通過低壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)傳向中介機(jī)匣。

結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路故障診斷功能的核心要素包括典型狀態(tài)、故障特征、診斷流程、診斷算法等四個(gè)方面。前二者屬于研究對(duì)象特性范疇，是診斷的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和依據(jù)；后二者屬于應(yīng)用方法范疇，是實(shí)現(xiàn)診斷功能的具體手段。一方面，確定故障診斷所關(guān)注的發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況狀態(tài)并建立相應(yīng)的故障特征，是故障診斷方法設(shè)計(jì)的首要問題和基礎(chǔ)條件；另一方面，在后續(xù)的深入研究中故障特征的形式又要與故障診斷與隔離要求相匹配。