基于特征頻段RMS值的發(fā)動機(jī)故障實(shí)時監(jiān)測方法

孫百紅,田 川

(1.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100;2.空軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710100)

0 引言

液體火箭發(fā)動機(jī)研制過程中要進(jìn)行大量的地面熱試車考核，發(fā)動機(jī)及其組件在試車過程中要承受其系統(tǒng)本身產(chǎn)生的振動、沖擊、噪聲及壓力脈動等復(fù)雜動態(tài)載荷的作用，過大或是異常的動力學(xué)環(huán)境有時會引起發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的失效或者破壞，嚴(yán)重時發(fā)動機(jī)被燒毀、試車臺被嚴(yán)重破壞。準(zhǔn)確有效地測量、分析發(fā)動機(jī)試車過程中的動態(tài)響應(yīng)對發(fā)動機(jī)研制至關(guān)重要,也是獲取發(fā)動機(jī)動力學(xué)環(huán)境最直接、最有效的手段，是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)和定型最具有說服力的依據(jù)。對出現(xiàn)故障的試車，不同故障以不同的特征形式表現(xiàn)出來，認(rèn)真處理分析包含著故障信息的試車信號，有助于確定故障類型、性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因，有助于掌握各種故障的特征，以便采取相應(yīng)的措施，減少和預(yù)防故障重現(xiàn)。對成功試車，處理分析這些動態(tài)響應(yīng)信號有助于了解發(fā)動機(jī)及其組件不同工況下的動力學(xué)特征，從而為故障分析提供對比依據(jù),對發(fā)動機(jī)可靠性增長試車前風(fēng)險(xiǎn)分析、試車過程中狀態(tài)監(jiān)測、試車后性能評估、試車故障診斷分析及發(fā)動機(jī)組件力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面都具有極其重要的作用[1]。

1 試車動態(tài)信號處理與分析方法

1.1 試車信號的分類及特征

液體火箭發(fā)動機(jī)試車速變信號可以分為以下4類：平穩(wěn)隨機(jī)信號、非平穩(wěn)隨機(jī)信號、瞬態(tài)信號及周期信號與隨機(jī)信號的疊加。發(fā)動機(jī)工作過程中，傳感器測量到的信號主要以后兩類最為常見。發(fā)動機(jī)的起動、關(guān)機(jī)過程就是比較明顯的時變、瞬態(tài)信號特征，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)級過程表現(xiàn)為非平穩(wěn)隨機(jī)信號，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作段通常近似為一個平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)過程，測量信號則以周期信號與隨機(jī)信號的疊加為主要特征。

液體火箭發(fā)動機(jī)的心臟——泵系統(tǒng)，其試車振動信號主要表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速頻率及由其結(jié)構(gòu)葉片數(shù)相關(guān)的倍頻以及流體噪聲等，發(fā)動機(jī)的燃燒組件如發(fā)生器、推力室等其試車振動信號特征主要表現(xiàn)為燃燒主頻、燃燒振蕩、燃燒噪聲及由旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳遞而來的轉(zhuǎn)速及其倍頻等。

1.2 試車信號的分析方法

液體火箭發(fā)動機(jī)試車過程動態(tài)信號一般需要進(jìn)行時域、頻域以及時頻域分析。時域主要關(guān)注發(fā)動機(jī)起動與關(guān)機(jī)動作產(chǎn)生的沖擊時刻及幅值以及沖擊過后信號的變化趨勢走向、全程時域幅值及RMS(Root-Mean-Square,均方根)曲線的變化情況，頻域主要關(guān)注發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作段的頻率成分及其幅值、指定頻段內(nèi)的RMS值大小；時頻分析主要關(guān)注發(fā)動機(jī)工作過程頻率成分及幅值隨時間變化情況。

根據(jù)液體火箭發(fā)動機(jī)熱試車不同工作段的信號特點(diǎn)及關(guān)注點(diǎn)，試車速變信號分析的內(nèi)容、步驟及方法如圖1所示[2-4]。

圖1 發(fā)動機(jī)試車動態(tài)信號分析方法Fig.1 The analysis method of dynamic data from rocket engine tests

2 某發(fā)動機(jī)試車信號分析

某型號發(fā)動機(jī)試車多次出現(xiàn)結(jié)構(gòu)焊縫開裂、燃料泄漏并起火等故障，圖2是試后檢查發(fā)現(xiàn)焊縫開裂情況，圖3是試車過程中的燃料泄漏情況。采用發(fā)動機(jī)信號分析方法，對該發(fā)動機(jī)16次試車某組件的振動信號進(jìn)行對比分析，包括3次出現(xiàn)故障的試車和13次沒有出現(xiàn)故障的試車信號。已知該發(fā)動機(jī)每次試車先試額定工況后試過載工況，起動和關(guān)機(jī)信號分析沒有發(fā)現(xiàn)異常，以下是穩(wěn)態(tài)段信號的分析情況。

2.1 頻譜分析

某振動參數(shù)穩(wěn)態(tài)段頻譜分析如圖4所示，圖4(a)是出現(xiàn)故障的試車的頻譜，圖4(b)是大部分沒有出現(xiàn)故障的試車的頻譜，橫軸為頻率，縱軸為幅值?？梢姰?dāng)發(fā)動機(jī)試車出現(xiàn)故障時，頻譜中位于970～1 000 Hz之間的分頻最為突出；沒有出現(xiàn)故障時，頻譜中發(fā)動機(jī)1 010～1 030 Hz之間的分頻(發(fā)動機(jī)主轉(zhuǎn)速某倍頻)占主導(dǎo)，而970～1 000 Hz之間的分頻沒有明顯表現(xiàn)。

圖2 某結(jié)構(gòu)焊縫開裂Fig.2 The weld-line crack of engine component

圖3 試車過程燃料泄漏Fig.3 The leakage of engine fuel

圖4 穩(wěn)態(tài)段頻譜Fig.4 The spectrum of vibration stationary-signal

然而，并不是只要出現(xiàn)970～1 000 Hz之間的分頻發(fā)動機(jī)就必然出現(xiàn)故障。圖5是16次試車970～1 000 Hz之間的分頻的最大幅值對比，可見：其中有5次試車分頻幅值明顯高于其他次試車，但實(shí)際試車只有其中3次試車出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部損傷破壞等故障。

圖5 分頻幅值對比Fig.5 Frequency-amplitude comparison

2.2 振動全頻段RMS值分析

該發(fā)動機(jī)試車速變信號采樣頻率12.56 kHz，分析最大頻率5 kHz。則某頻段內(nèi)的RMS值為

(1)

式中Ai為fi對應(yīng)的幅值，i=1，2，…,k-1。

該參數(shù)16次試車全頻段RMS值對比分析如圖6所示，可見，從全頻段無法識別出故障試車。這是因?yàn)槿l段的振動綜合值既包含了故障信號又含有正常信號的貢獻(xiàn)量。

圖6 全頻段RMS值對比Fig.6 RMS of the full-band comparison

3 信號故障特征提取

關(guān)注特征頻段970～1 000 Hz內(nèi)RMS值，16次試車對比分析如圖7所示，可見1，7，11次特征頻段內(nèi)的RMS值遠(yuǎn)大于其他次試車，而這3次試車恰好為出現(xiàn)局部破壞等故障的試車，因此，特征頻段內(nèi)的RMS值能夠很好地識別出故障試車。

圖7 特征頻段RMS值對比Fig.7 RMS of the characteristic frequency band for stationary-signal

對特征全頻段進(jìn)行全程瀑布圖細(xì)化分析，如圖8～圖10所示。由圖8可知，對于大部分沒有出現(xiàn)任何故障的試車，其信號頻域在起動時刻也會出現(xiàn)970～1 000 Hz之間的明顯分頻，但起動結(jié)束后，此分頻消失。由圖9可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)試車出現(xiàn)故障時，其頻域必然出現(xiàn)明顯的介于970～1 000 Hz之間的分頻，且其幅值隨著時間持續(xù)增大。由圖10可知：對于兩次出現(xiàn)明顯的幅值較大的特征頻率但沒有發(fā)生局部損壞的試車，其瀑布圖表現(xiàn)為幅值較大的970～1 000 Hz之間的分頻在150 s左右，幅值明顯減小。

圖8 正常試車特征頻段全程瀑布圖Fig.8 The full-time domain waterfall of the characteristic frequency band for normal tests

4 故障分析及預(yù)防

通過上述分析可見：發(fā)動機(jī)試車速變數(shù)據(jù)包含著大量有用信息，是評估發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不可缺少的組成部分。發(fā)動機(jī)試車速變信號的分析不僅要關(guān)注信號的時域信息，更要關(guān)注其頻域信息，不僅要關(guān)注信號的振動量級還要關(guān)注信號的頻率成份，不僅要關(guān)注頻率成份的幅值，更要關(guān)注幅值隨時間的變化情況，只有這樣，才能全方位、多角度對信號進(jìn)行深層次的挖掘和分析。

圖9 出現(xiàn)故障的試車特征頻段全程瀑布圖 Fig.9 The full-time domain waterfall of the characteristic frequency band for unnormal tests

圖10 某次試車特征頻段全程瀑布圖Fig.10 The full-time domain waterfall of the charac teristic frequency band for a certain test

該型號發(fā)動機(jī)某次飛行數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了量級較大的、處于970～1 000 Hz之間的分頻，且其飛行殘骸斷口處呈現(xiàn)疲勞條紋，另外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機(jī)組件的一階縱向聲學(xué)頻率與該分頻相接近。結(jié)合試車速變數(shù)據(jù)分析結(jié)果，顯然，發(fā)動機(jī)試車過程中存在的970～1 000 Hz之間的分頻是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)破壞主要原因。當(dāng)試車信號出現(xiàn)此分頻且其幅值隨時間或者工況不斷增大時，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)由于受到持續(xù)的、大量級的耦合共振而出現(xiàn)疲勞裂紋，從而會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)焊縫開裂或是燃料泄漏等故障。

隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的高度發(fā)展，在多個行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程的測量信號進(jìn)行實(shí)時分析和監(jiān)測[5-10]。針對該發(fā)動機(jī)試車信號故障特征，可以在發(fā)動機(jī)試車過程中對信號特征頻段的RMS值進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在發(fā)動機(jī)試車至150 s左右時(工況調(diào)整)，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測對象沒有衰減反而有增大趨勢，可以馬上實(shí)施手動緊急關(guān)機(jī)，故障進(jìn)一步發(fā)展惡化，對試車產(chǎn)品及試車臺造成更大的破壞和損失。

5 結(jié)語

給出了液體火箭發(fā)動機(jī)信號分析方法，對某型號發(fā)動機(jī)16次試車振動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，找到了正常的試車與出現(xiàn)故障的試車的數(shù)據(jù)的異同，提取到了故障識別的特征量，提出了一種基于特征段RMS值的故障識別方法，此方法可以用于發(fā)動機(jī)試車過程故障的實(shí)時監(jiān)測，對于確保試車產(chǎn)品、預(yù)防試車破壞性災(zāi)難具有一定的實(shí)際意義。