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

楊旭　張瑞

摘要：隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性提出了更高的要求。采用健康管理技術(shù)是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重要手段，能夠及時(shí)有效的防止重大安全事故的發(fā)生，對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全有著重要意義。結(jié)合大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)研制需求，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)關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性要求，采用多線程技術(shù)設(shè)計(jì)了健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)告警的功能。并在某型發(fā)動(dòng)機(jī)上完成了與地面振動(dòng)采集設(shè)備的振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)載健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

Abstract： With the increasing complexity of the structure of aero-engine， the higher safety and reliability of the engine are required. Health management technology is an important means to ensure the safety， stability and efficient operation of aero-engine， which can prevent the occurrence of major accidents in time and effectively. The health management vibration monitoring technology is very important for the safety of the aero-engine. The key points of the hardware design of the health management vibration monitoring system were put forward according to the development of airborne vibration monitoring system of the aero-engine. Based on the real-time requirement of airborne vibration， the vibration monitoring software was designed by using multi thread technology and realized the function of monitoring and warning of engine airborne vibration. Vibration contrast test of the equipment with foreign vibration was accomplished on the engine. Experiment results show that the data is accurate and effective.

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);健康管理;振動(dòng);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);多線程

Key words： aero-engine;health management;vibration;real-time monitoring;multi thread

中圖分類(lèi)號(hào)：V263.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）23-0215-03

0 ?引言

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[1][2]。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(guó)的高度重視。國(guó)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[3]，節(jié)省75%的維修費(fèi)用[4][5]。因此，健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析已成為保證發(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)方面進(jìn)行闡述。通過(guò)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(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，而我國(guó)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[6]。本文針對(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(guò)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：

①發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄;

②振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至飛機(jī)座艙實(shí)時(shí)顯示;

③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。

2 ?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)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。

2.1 機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件

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(guó)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)[7][8]。這里采用ENDEVCO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)[9]，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(lèi)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(guò)大，會(huì)在低頻區(qū)域產(chǎn)生影響。在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了此類(lèi)問(wèn)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1Hz。

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)行環(huán)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(wèn)題。如圖1所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(guò)大，且直流分量過(guò)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(guò)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(guò)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)[10]，才能避免出現(xiàn)信號(hào)混疊現(xiàn)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[11]，才能準(zhǔn)確測(cè)量振動(dòng)。

2.2 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[12]，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)性方面存在矛盾。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(wèn)題[13][14]。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)能夠有效的提高執(zhí)行效率[9]。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[15]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(tīng)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(guò)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)。

3 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

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)與地面振動(dòng)采集設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 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)段使用地面振動(dòng)采集設(shè)備（MEGGITT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(wú)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(kāi)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。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與地面振動(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1所示。從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。

4 ?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(kāi)展了驗(yàn)證工作，試驗(yàn)結(jié)果表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)載振動(dòng)信號(hào)采集、振動(dòng)處理存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)告警等功能，為發(fā)動(dòng)機(jī)安全提供了有利的保證，為振動(dòng)特征提取和故障診斷提供了理論依據(jù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)階段機(jī)載振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)告警的需求。但是基于振動(dòng)信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)仍不成熟，還需在該領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究。

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