航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障及其處理技術(shù)

陳清陽(yáng)

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，其通常在高溫、高壓的惡劣條件下工作，整機(jī)振動(dòng)故障頻率高，發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本大，采取有效控制手段來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障成為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作的重點(diǎn)。頻譜分析是發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中使用廣泛的信號(hào)處理方法，可對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，小波包和諧波小波具有很好的細(xì)化分辨能力和很高的頻率分辨率能力。運(yùn)用小波包和諧波小波對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，綜合對(duì)比分析表明，諧波小波變換具有任意劃分?jǐn)?shù)據(jù)段的能力，小波包具有運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng)故障;維修技術(shù)

中圖分類號(hào)：V263.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0054-03

Abstract： An aero engine is a mechanical device that rotates at high speed， and it usually works under severe conditions of high temperature and high pressure， the vibration frequency of the whole machine is high， and the engine maintenance cost is large， taking effective control measures to reduce engine vibration failure has become the focus of current engine research work. Spectrum analysis is a widely used signal processing method in engine fault diagnosis， which can perform spectrum analysis on vibration signals， wavelet packets and harmonic wavelets have a very fine resolution and high frequency resolution. Wavelet packet and harmonic wavelet is used to analyze the frequency spectrum of the vibration signal， comprehensive comparative analysis shows that the harmonic wavelet transform has the ability to arbitrarily divide the data segment， and the wavelet packet has the advantage of fast operation speed.

Keywords： aero engine;vibration failure;maintenance technology

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件復(fù)雜，研制周期長(zhǎng)，關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)國(guó)際性難題，我國(guó)相關(guān)研究成果較少，國(guó)內(nèi)具備發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)單位、一些高校針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作中影響振動(dòng)的關(guān)鍵部件開(kāi)展研究。由于小波具有很好的始頻域分割能力，有學(xué)者將諧波小波應(yīng)用到振動(dòng)信號(hào)分析中，克服了小波包失真的缺點(diǎn)。國(guó)家某重點(diǎn)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)多年攻關(guān)設(shè)計(jì)定型，承擔(dān)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的使命。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中，整機(jī)振動(dòng)問(wèn)題突出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后續(xù)通過(guò)試車確定是否可出廠，發(fā)動(dòng)機(jī)試車中經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)故障，當(dāng)前有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)研究，設(shè)計(jì)振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)及故障診斷技術(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)排振工作提供技術(shù)支持。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障機(jī)理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是無(wú)限自由度振動(dòng)系統(tǒng)，各種激勵(lì)振動(dòng)影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性能要求更高。信號(hào)是信息的載體，需要轉(zhuǎn)化為傳輸媒質(zhì)能接受的信號(hào)形式，振動(dòng)信號(hào)分為連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)，振動(dòng)是動(dòng)態(tài)量，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是復(fù)雜的機(jī)械裝置，其振動(dòng)信號(hào)形式非簡(jiǎn)諧振動(dòng)[1]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析不能脫離高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，能將復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)頻率分量幅值進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。頻譜分析為故障診斷的基本工具，人們可以采用小波分析法進(jìn)行頻譜分析，確切地診斷故障類型。不同故障對(duì)應(yīng)的頻率特征不同，多種故障頻率具有很強(qiáng)的相似性。將振動(dòng)信號(hào)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)能得到振動(dòng)速度與加速度。振動(dòng)位移與加速度信號(hào)頻率相同，振動(dòng)速度幅值為位移和頻率平方乘積。振動(dòng)速度相位滯后振動(dòng)加速度相位90°，運(yùn)用性質(zhì)不同的振動(dòng)信號(hào)診斷故障，故障相同時(shí)表現(xiàn)出不同特征。

故障診斷建立在深入的特征提取基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)得到機(jī)械運(yùn)行信號(hào)，包含系統(tǒng)狀態(tài)信息。人們需要采用多種手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，選擇對(duì)工況狀態(tài)敏感的特征參量進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備故障診斷，判斷特征分析結(jié)果是否可靠，特征分析方法包括信息處理技術(shù)手段，如數(shù)字信號(hào)處理、圖像識(shí)別等。信號(hào)時(shí)頻域思路是設(shè)計(jì)時(shí)間與頻率的聯(lián)合函數(shù)，頻域分析方法提供時(shí)間頻域率聯(lián)合分布信息。振動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)故障中占很大比重，振動(dòng)反映設(shè)備監(jiān)控狀況，發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械正常運(yùn)行使振動(dòng)值較小，振動(dòng)值變大說(shuō)明設(shè)備出現(xiàn)故障。

2 基于小波的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)

由于故障發(fā)生引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)變化，為了解信號(hào)動(dòng)態(tài)行為，人們需要掌握頻域信息。頻譜分析是將復(fù)雜時(shí)間歷程波形經(jīng)頻域變換分解為諧波分量進(jìn)行研究，傳統(tǒng)基于短時(shí)傅里葉變換的振動(dòng)數(shù)據(jù)處理存在時(shí)頻窗寬固定的缺點(diǎn)，20世紀(jì)90年代以來(lái)出現(xiàn)新型數(shù)據(jù)處理方法，小波變換法可調(diào)整時(shí)頻窗結(jié)構(gòu)[2]。

采用加速度傳感器對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)各部位進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，測(cè)點(diǎn)選擇必須代表發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)狀態(tài)。頻域和時(shí)域構(gòu)成觀察信號(hào)方式，信號(hào)頻域表示信號(hào)在頻域的特征，F(xiàn)FT是整體比變換，功率不能顯示某種頻率分量出現(xiàn)變化，大部分信號(hào)非平穩(wěn)，信號(hào)在時(shí)域的全局特性不夠，小波是有效的時(shí)域分析方法。小波包變換需要根據(jù)振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)選取小波基，選擇不同小波基對(duì)信號(hào)處理，得到的結(jié)果存在很大差別。常見(jiàn)小波基函數(shù)不能應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)分析處理。選擇支集長(zhǎng)度在5～9內(nèi)的小波，支集過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生邊界問(wèn)題，過(guò)短不利于信號(hào)能量集中。

小波分析中廣泛使用的Daubechies類小波為實(shí)小波，通過(guò)構(gòu)造相應(yīng)正交濾波器{hk}實(shí)現(xiàn)信號(hào)小波分解，其他類型小波基函數(shù)被構(gòu)造出來(lái)進(jìn)行深入研究。諧波小波是復(fù)小波，其伸縮與平移構(gòu)成L2（R）空間規(guī)范正交基，分解算法通過(guò)信號(hào)FFT實(shí)現(xiàn)，算法速度快，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。諧波小波對(duì)稱性使其在頻域上收斂性較好，而諧波小波具有無(wú)限長(zhǎng)時(shí)域分布特性，可對(duì)諧波小波加窗。應(yīng)用諧波小波變換對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷，基于諧波小波變換，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障特征頻率可精確表示[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)前垂測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖與頻譜圖如圖1所示。首先分析前中后垂與中水測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)由慢車到最大狀態(tài)試車，為確定故障類型，根據(jù)諧波小波變換模型，任意輸入初始化參數(shù)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化分析。根據(jù)參數(shù)選擇試驗(yàn)，確定合適的參數(shù)。時(shí)頻圖根據(jù)選擇參數(shù)進(jìn)行諧波小波變換，得出系數(shù)。600～1 000 Hz內(nèi)顏色較暖，前垂測(cè)點(diǎn)在10～15 s出現(xiàn)嚴(yán)重故障。400～600 Hz內(nèi)顏色較暖，推測(cè)后垂測(cè)點(diǎn)在5～15 s出現(xiàn)嚴(yán)重故障。200～1 000 Hz內(nèi)顏色較暖，中垂測(cè)點(diǎn)在5～20 s出現(xiàn)嚴(yán)重故障。200 Hz左右顏色較暖，中水測(cè)點(diǎn)在12 s左右出現(xiàn)故障，推測(cè)中水測(cè)點(diǎn)故障不明顯。

為確定故障類型，人們需要利用測(cè)點(diǎn)諧波小波變換系數(shù)進(jìn)行頻譜分析。發(fā)動(dòng)機(jī)由慢車到降速狀態(tài)試車時(shí)，前中后垂與中水測(cè)點(diǎn)振動(dòng)異常，諧波小波變換時(shí)頻分析中選擇數(shù)據(jù)段為2 s，前垂測(cè)點(diǎn)頻譜圖中幅值較大，頻率出現(xiàn)在232.6 Hz與127.25 Hz處，根據(jù)故障特征頻率對(duì)應(yīng)特征，確定前垂測(cè)點(diǎn)振動(dòng)由于高壓轉(zhuǎn)子不平衡所致。幅值8 024 mm/m2為高低壓轉(zhuǎn)子組合頻率。由于存在倍頻成分，發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在軸承松動(dòng)故障。小波包在每層分解對(duì)原始信號(hào)一分為二，把信號(hào)分成高低頻段，造成有的故障診斷不出來(lái)，小波包分解在小波基選擇上不適合，只能在探索中找到合適的小波基才能準(zhǔn)確診斷發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障，小波存在頻移缺點(diǎn)，諧波小波能準(zhǔn)確診斷故障類型，但運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

Visual Basic是Microsoft公司研究的快捷設(shè)計(jì)界面，用戶界面可使客戶簡(jiǎn)單進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，利用Visual Basic數(shù)據(jù)庫(kù)連接功能與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)連接。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，支持所有操作系統(tǒng)，具有參照完整性的優(yōu)點(diǎn)，使用SQL標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言編程，具有數(shù)據(jù)庫(kù)操作等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。

Matlab是集算法開(kāi)發(fā)與數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)軟件，其指令表達(dá)式與工程中常用形式相似，可方便實(shí)現(xiàn)用戶所需計(jì)算功能，求解問(wèn)題方便，前臺(tái)用戶界面用Visual Basic編寫(xiě)，MATLAB完成后臺(tái)計(jì)算任務(wù)。利用Visual Basic訪問(wèn)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)方法包括DAO、ADO、OO4O，利用使用方便、可訪問(wèn)不同數(shù)據(jù)源的ADO訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用ODBC法將MATLAB與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)連接。MATLAB運(yùn)用ODBC建立數(shù)據(jù)源，MATLAB運(yùn)用運(yùn)算功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果傳遞給VB顯示。MATLAB提供與C/C++語(yǔ)言接口，可通過(guò)ActiveX方式實(shí)現(xiàn)與Visual Basic混合編程。

Windows平臺(tái)可使用MATLAB作為應(yīng)用程序，MATLAB可執(zhí)行語(yǔ)句進(jìn)行運(yùn)算等處理工作。需求分析是指數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)前了解用戶需求，包括數(shù)據(jù)流等數(shù)據(jù)處理工作，需求分析可反映用戶要求，影響設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確性。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的目的是收集和讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)連接Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)故障診斷算法后將結(jié)果傳遞給Visual Basic。系統(tǒng)添加用戶登錄等功能，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等操作。

設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)完成Visual Basic與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，MATLAB作為算法實(shí)現(xiàn)工具，用MATLAB調(diào)用存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，將運(yùn)算結(jié)果傳遞給Visual Basic進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)關(guān)系到運(yùn)算診斷效率，數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)前要了解需求，確定整體設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)名稱為Vibration，可在OEM網(wǎng)頁(yè)形式編程，輸入數(shù)據(jù)庫(kù)用戶名，點(diǎn)擊登錄，使用SQL語(yǔ)言建立用戶注冊(cè)信息表。用戶管理模塊包括添加用戶模塊，登錄模塊進(jìn)入主系統(tǒng)前進(jìn)入登錄界面，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)確定用戶名是否正確。數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)提取振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，將結(jié)果傳遞給Visual Basic中。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)進(jìn)行故障診斷，小波時(shí)頻特性可以方便對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，根據(jù)故障特征進(jìn)行診斷，運(yùn)用小波包進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)分析，研究結(jié)果表明，小波包具有信息點(diǎn)易丟失、邊界失真效應(yīng)等劣勢(shì)，故障頻率與實(shí)際有誤差。諧波小波能檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)中的微弱信息，是諧波小波盒形特性的體現(xiàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)信號(hào)原始數(shù)據(jù)大，運(yùn)算時(shí)間較小波包法長(zhǎng)，應(yīng)用諧波小波能細(xì)化頻率段，輸入分析頻率小可減少頻率誤差，諧波小波變換法適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷。設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，可以提高工作效率，方便發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障診斷。

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