基于信號(hào)時(shí)頻特征的直升機(jī)傳動(dòng)軸異常振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

劉忠超,程 承,殷 鵬

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.陸裝駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍代室,江西 景德鎮(zhèn) 3330002)

0 引言

振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)是直升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、HUMS系統(tǒng)的基本功能。一般在機(jī)體特定位置布置振動(dòng)傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào),從振動(dòng)信號(hào)中提取峰-峰值、頻率峰值等特征參數(shù),建立振動(dòng)特征與故障模式之間的模型,達(dá)到故障監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

英國(guó)民用航空局頒布的直升機(jī)振動(dòng)健康監(jiān)測(cè)指南(CAP 753)給出了通用的直升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù),詳細(xì)要求如表1所列。

表1 CAP753振動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)

表1所述方法基本涵蓋了直升機(jī)的振動(dòng)源,可以滿足一般的振動(dòng)監(jiān)測(cè)需求。但是依賴已有知識(shí)庫且缺少實(shí)時(shí)告警策略的特點(diǎn),決定了其對(duì)于未知振源或機(jī)理的異常振動(dòng)缺乏識(shí)別和預(yù)警能力。

現(xiàn)有直升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究多集中于已知故障類型的信號(hào)特征提取算法,但對(duì)工程領(lǐng)域未知振源的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究相對(duì)較少。李輝[1]基于EMD和功率譜方法,在功率譜中成功提取了齒輪嚙合頻率的邊頻帶頻率,準(zhǔn)確識(shí)別出輸出軸齒輪存在損傷。康麗霞[2]對(duì)花鍵連接的超臨界軸穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究,給出了臨界轉(zhuǎn)速頻率的振動(dòng)位移作為傳動(dòng)軸失穩(wěn)與否的特征。吳飛、丁軍等[3]基于VMD和PSO-SVM方法針對(duì)汽車傳動(dòng)軸系的不平衡、不對(duì)中和松動(dòng)故障,進(jìn)行了故障模擬和振動(dòng)信號(hào)特征識(shí)別。Paula J.Dempsey[4]在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪健康診斷方法綜述中提出了振動(dòng)數(shù)據(jù)特征提取算法和閾值設(shè)計(jì)原則,對(duì)工程應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)。但上述研究均限于識(shí)別已知的傳動(dòng)軸故障,不能有效識(shí)別突發(fā)的未知振動(dòng)故障。

本文針對(duì)現(xiàn)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的不足,以直升機(jī)尾傳動(dòng)軸失效故障數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,通過數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出故障特征,提出了基于振動(dòng)、飛參數(shù)據(jù),綜合頻譜特性檢查、伯德圖、軸心軌跡分析[5]的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法,達(dá)到監(jiān)測(cè)尾傳動(dòng)軸失效故障的目標(biāo)。

本文所述方法可以有效預(yù)警直升機(jī)傳動(dòng)軸的異常自激振動(dòng),提升飛行安全性,并可為其他未知振源的直升機(jī)故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 直升機(jī)尾傳動(dòng)軸失效故障介紹

直升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中尾傳動(dòng)軸出現(xiàn)異常振動(dòng),導(dǎo)致尾傳動(dòng)軸損傷,損傷位置如圖1所示。

圖1 尾傳動(dòng)軸損傷示意圖

直升機(jī)尾傳動(dòng)軸由短軸、長(zhǎng)軸和膜片聯(lián)軸節(jié)組成,其中傳動(dòng)軸均設(shè)計(jì)為超臨界軸。機(jī)載系統(tǒng)記錄了飛參信號(hào)和機(jī)體振動(dòng)信號(hào),振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣率為1024 Hz,飛參數(shù)據(jù)采樣率為16 Hz。機(jī)體振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)包括座艙地板、中減平臺(tái)和尾減速器殼體。中減平臺(tái)位置的傳感器距離尾傳短軸最近,振動(dòng)數(shù)據(jù)最敏感,因此取該處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 直升機(jī)尾傳動(dòng)軸故障振動(dòng)特征分析

2.1 頻譜特性檢查

直升機(jī)地面慢車和空中狀態(tài)旋翼轉(zhuǎn)速不同,對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)軸工作轉(zhuǎn)速基頻也不同。選取地面開車和空中飛行的狀態(tài),提取傳動(dòng)軸正常與失效架次的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,檢查頻譜曲線有無異常頻率。頻率分辨率為0.125 Hz,頻譜帶寬為200 Hz。頻譜曲線如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)頻譜曲線對(duì)比

由圖2可知,尾傳動(dòng)軸失效架次的頻譜與正常架次相比,出現(xiàn)了異常頻率46.13 Hz以及3倍頻138.4 Hz,且該值恒定,不隨旋翼轉(zhuǎn)速增加而變化。地面慢車時(shí),異常頻率振幅峰值最高,達(dá)到1.387g。空中狀態(tài)時(shí),異常頻率振幅約0.603g,有所減小。

2.2 時(shí)頻特性分析

尾傳動(dòng)軸失效架次的中減平臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)的伯德圖見圖3。幅頻曲線表明,尾傳短軸的側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在46.44 Hz附近;垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在50.02 Hz附近。尾傳短軸垂向幅頻曲線的46 Hz峰值是側(cè)向臨界轉(zhuǎn)速頻率耦合造成的。尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率與頻譜分析的異常頻率46.13 Hz十分接近。同時(shí),設(shè)計(jì)資料表明尾傳短軸的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率約為50 Hz,進(jìn)一步驗(yàn)證了異常頻率是尾傳短軸的臨界轉(zhuǎn)速頻率。

圖3 伯德圖幅頻曲線

尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率在中減平臺(tái)處的振動(dòng)幅值隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖可知,隨著旋翼轉(zhuǎn)速提升,當(dāng)尾傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速通過尾傳短軸的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率時(shí),該頻率振動(dòng)突然出現(xiàn),且振幅達(dá)到1.4g。激勵(lì)頻率通過共振區(qū)間后,該頻率振動(dòng)仍然保持,振幅穩(wěn)定在0.8g左右;持續(xù)至7000 s時(shí),振幅開始逐步放大,并持續(xù)約1700 s;最后該頻率振幅突然從2.4g減小到0.01g。

圖4 尾傳短軸臨界轉(zhuǎn)速頻率時(shí)間-幅值圖

2.3 傳動(dòng)軸軸心軌跡

中減平臺(tái)的振動(dòng)傳感器垂向和側(cè)向安裝剛度量級(jí)相當(dāng),可使用該處振動(dòng)加速度模擬傳動(dòng)軸的軸心軌跡。圖5給出了尾傳短軸臨界轉(zhuǎn)速頻率在中減平臺(tái)處的軸心軌跡。由圖可知,尾傳短軸失效架次,自激振動(dòng)頻率的軸心軌跡在早期呈現(xiàn)橢圓形狀,側(cè)向振幅大,垂向振幅小,橢圓長(zhǎng)半徑值與振動(dòng)數(shù)據(jù)側(cè)向振幅相同;后期軸心軌跡紊亂,呈現(xiàn)交叉形狀,側(cè)向振幅明顯大于垂向振幅,側(cè)向和垂向振動(dòng)存在反相特征。

軸心軌跡側(cè)向明顯大于垂向的原因推測(cè)如下:一是尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率小于垂向頻率,兩者相差約3 Hz。該特性使得自激振動(dòng)以尾傳短軸側(cè)向和垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率中較低的一個(gè)體現(xiàn)出來。二是未知原因造成尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率運(yùn)動(dòng)更容易失穩(wěn),而垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率運(yùn)動(dòng)不易被激發(fā),穩(wěn)定性更好。

2.4 趨勢(shì)分析

針對(duì)尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率的異常振動(dòng),選取傳動(dòng)軸失效前共4個(gè)架次的數(shù)據(jù),在相同直升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,檢查該頻率振幅和軸心軌跡的變化趨勢(shì)。振幅變化如表2所示。軸心軌跡變化如圖6所示。由圖6和表2分析可知,尾傳短軸自激振動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)如下:

圖6 軸心軌跡隨架次變化趨勢(shì)

表2 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率振幅

1) 46 Hz側(cè)向振幅逐步增加,最后穩(wěn)定在0.7g～0.8g。垂向振幅除了D架次明顯放大外,其他架次均小于0.1g。

2) 加速度軸心軌跡橢圓特征逐步明顯,且橢圓長(zhǎng)半徑逐步增加,橢圓短半徑在D-3、D-2和D-5較大,但是D-1長(zhǎng)度較小。

3) 結(jié)合2.3節(jié)圖5可知,尾傳短軸自激振動(dòng)發(fā)生、穩(wěn)定、失穩(wěn)損傷的歷程期間,軸心軌跡也經(jīng)歷了不規(guī)則橢圓、橢圓、紊亂的過程。尾傳短軸軸心保持規(guī)則橢圓時(shí),應(yīng)進(jìn)行傳動(dòng)軸檢查;軸心由規(guī)則橢圓過渡到紊亂時(shí),須禁止傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 傳動(dòng)軸異常振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

綜合上述尾傳短軸失效數(shù)據(jù)分析,本文提出未知振源的傳動(dòng)軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法如下:

1) 通過振動(dòng)數(shù)據(jù)分析,定位異常頻率值;

2) 繪制異常頻率振動(dòng)的時(shí)間-振幅歷程;

3) 通過振動(dòng)特征分析,查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料,確定異常頻率振動(dòng)的來源;

4) 提取異常頻率振動(dòng)的特征發(fā)展趨勢(shì),如本文所述的時(shí)間-振幅曲線、軸心軌跡等;

5) 結(jié)合異常頻率振動(dòng)的發(fā)展階段,確定合理的振動(dòng)超限閾值,在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷前及時(shí)告警。

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

選取相同機(jī)型的兩架直升機(jī)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)本文所述方法的可行性。為描述方便,兩架機(jī)分別編號(hào)為001、002。尾傳短軸的狀態(tài)為:001架機(jī)地面開車出現(xiàn)自激振動(dòng),飛行時(shí)自激振動(dòng)持續(xù),振幅維持在0.2g～0.33g。002架機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,未出現(xiàn)自激振動(dòng)。由伯德圖曲線得出尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率如表3所示。尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間-幅值曲線如圖7所示。尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率對(duì)應(yīng)的軸心軌跡如圖8所示。

圖7 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率時(shí)間-幅值曲線

圖8 001和002號(hào)機(jī)的軸心軌跡圖

表3 尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率

由振動(dòng)特征分析結(jié)果可知:

1) 兩架機(jī)尾傳短軸側(cè)向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率均略高于垂向一階臨界轉(zhuǎn)速頻率。

2) 圖7表明通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí),001號(hào)機(jī)尾傳短軸振動(dòng)被激勵(lì)起來并保持穩(wěn)定,并沒有隨著軸轉(zhuǎn)速升高而降低;002號(hào)機(jī)尾傳短軸振動(dòng)被激勵(lì)起來后,馬上隨著軸轉(zhuǎn)速升高而降低,振幅不能保持。

3) 圖8表明001號(hào)機(jī)軸心軌跡地面慢車近似為橢圓,飛行狀態(tài)無規(guī)律。002號(hào)機(jī)軸心軌跡紊亂。其原因是側(cè)向和垂向的振幅值均很小,屬于隨機(jī)振動(dòng)。因此,軸心軌跡僅能用于異常頻率振動(dòng)出現(xiàn)后的趨勢(shì)跟蹤。

4) 由上述分析可知,002號(hào)機(jī)尾傳短軸未出現(xiàn)自激振動(dòng)現(xiàn)象。001號(hào)機(jī)尾傳短軸出現(xiàn)了持續(xù)的自激振動(dòng)。地面慢車狀態(tài)軸心軌跡呈橢圓形,但不穩(wěn)定。飛行狀態(tài)垂向振幅較小,相位與側(cè)向相位不同步,表明001號(hào)機(jī)處于自激振動(dòng)的早期階段。

5 結(jié)論

本文基于典型的直升機(jī)傳動(dòng)軸失效故障數(shù)據(jù),提出了一種傳動(dòng)軸異常頻率振動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法,并使用試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文提出的方法可以:

1)有效識(shí)別直升機(jī)傳動(dòng)軸的自激振動(dòng)頻率。

2)有效揭示傳動(dòng)軸自激振動(dòng)劇烈程度的發(fā)展趨勢(shì),明確自激振動(dòng)的主要表現(xiàn)形式。對(duì)于本文分析的失效架次振動(dòng)而言,尾傳短軸一階臨界轉(zhuǎn)速頻率的側(cè)向運(yùn)動(dòng)是其能量耗散的主要形式,垂向運(yùn)動(dòng)是由側(cè)向運(yùn)動(dòng)引起的。自激振動(dòng)發(fā)生時(shí),尾傳短軸的垂向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好,振幅不易變大或發(fā)散。

3)本文所述方法不限于傳動(dòng)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)于其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的未知振源異常振動(dòng)監(jiān)測(cè)也具有借鑒意義。