等角度重采樣在航空發(fā)動機振動分析中的應用*

陳 釗，楊現(xiàn)萍，馮巧寧

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西西安 710089)

0 引言

航空發(fā)動機在工作中存在穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)兩種狀態(tài)，當發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)時，采用短時傅立葉方法即可對發(fā)動機振動數(shù)據(jù)進行分析，但是如果發(fā)動機處于過渡態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間快速發(fā)生變化，此時采用短時傅立葉對發(fā)動機振動數(shù)據(jù)進行分析會存在很多問題，如果分析數(shù)據(jù)段選擇過長，該時間段內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速已經(jīng)不是均勻轉(zhuǎn)速，直接導致分析結(jié)果錯誤，如果分析時間過短，則傅立葉分辨率過低，計算結(jié)果不準確。針對以上問題，本文提出采用等角度重采樣方法對航空發(fā)動機過渡態(tài)振動數(shù)據(jù)進行分析。

1 等角度采樣方法介紹

考慮到旋轉(zhuǎn)機械振動信號是以轉(zhuǎn)角位置為自變量的周期平穩(wěn)信號，人們提出了等角度采樣方法，以及將非平穩(wěn)的時域采樣信號變成角域里周期平穩(wěn)的信號。嚴格意義上的等角度采樣是按照旋轉(zhuǎn)部件所轉(zhuǎn)過的等角度間隔進行采樣，這需要安裝有等角度間隔的光電編碼器?，F(xiàn)常見的等角度采樣方法有3種，即硬件方法、軟件方法和峰值搜索法［1-5］。筆者采用軟件方法實現(xiàn)等角度重采樣。計算階次跟蹤法的步驟如下［6］:

(1)對原始振動信號和轉(zhuǎn)速信號分兩路同時進行等時間間隔時域采樣，得到異步采樣信號。

(2)確定每個周期T的采樣點數(shù)。

(3)根據(jù)步驟(2)確定的采樣點數(shù)，對振動信號進行插值，求出其對應的幅值實現(xiàn)重采樣，并生成振動信號的同步采樣信號，即角域平穩(wěn)信號。

(4)對重采樣的信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到振動信號的階次譜。

2 等角度采樣法的仿真計算

航空發(fā)動機起動或停車過程中，航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會從0增加到100%或者從100%降低到0，現(xiàn)產(chǎn)生一組仿真數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)振動幅值為1，轉(zhuǎn)速從200 Hz線性變化降低到0。采用該數(shù)據(jù)來模仿發(fā)動機停車。

2．1 采用短時傅立葉方法處理仿真數(shù)據(jù)

對于過渡態(tài)的振動數(shù)據(jù)，比較傳統(tǒng)的做法是采用短時傅立葉的方法處理過渡態(tài)振動數(shù)據(jù)，采用短時傅立葉的方法處理仿真數(shù)據(jù)如圖1～3所示。

圖1 仿真數(shù)據(jù)短時傅立葉處理結(jié)果(三維圖)

圖2 仿真數(shù)據(jù)短時傅立葉處理結(jié)果(時間-頻率)圖

圖3 仿真數(shù)據(jù)短時傅立葉處理結(jié)果(時間-幅值)圖

從短時傅立葉處理結(jié)果來看，采用短時傅立葉變換的方式處理該仿真數(shù)據(jù)，可對發(fā)動機轉(zhuǎn)子頻率進行較為準確的跟蹤，但是該方法得到的轉(zhuǎn)速頻率對應的幅值與仿真數(shù)據(jù)的理論值有著較大的誤差，仿真數(shù)據(jù)的振動幅值為1，而從圖3可看出，短時傅立葉變換方法得到的幅值不足0．8，誤差大于20%。

2．2 采用等角度方法處理仿真數(shù)據(jù)

現(xiàn)采用等角重采樣方法對該仿真數(shù)據(jù)進行分析，處理結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 仿真數(shù)據(jù)短時等角度重采樣處理結(jié)果(三維圖)

圖5 仿真數(shù)據(jù)短時等角度重采樣處理結(jié)果(時間-階次)

從圖4～7的處理結(jié)果可看出，采用等角度重采樣的方法處理該仿真信號，可以準確的對振動信號的頻率進行跟蹤，而且從圖6可看出，該方法可以非常準確的得到轉(zhuǎn)速對應頻率的幅值，與短時傅立葉變換的處理方法相比，有著非常明顯的優(yōu)勢。

圖6 仿真數(shù)據(jù)短時等角度重采樣處理結(jié)果(時間-幅值)

圖7 仿真數(shù)據(jù)短時等角度重采樣處理結(jié)果(階次-幅值)

3 對航空發(fā)動機實際振動數(shù)據(jù)進行分析

在某型發(fā)動機試飛過程中，曾經(jīng)發(fā)生發(fā)動機空中停車故障，現(xiàn)提取該發(fā)動機空中停車期間的振動數(shù)據(jù)，分別采用短時傅立葉和等角度重采樣的方法對該數(shù)據(jù)進行分析。

從采用短時傅立葉分析結(jié)果圖譜可看出在整個發(fā)動機空中停車的過程中，燃發(fā)器和動力渦輪的轉(zhuǎn)速在迅速降低，這一點在圖10上可清晰的表現(xiàn)出來，在圖8三維圖譜上也可看到在這個過程中，燃發(fā)器和動力渦輪對應的頻率分量振動幅值也迅速減小，而在圖9和圖11上可在發(fā)動機停車過程中，振動最大值接近 3．5 g。

圖8 短時傅立葉處理三維譜圖

圖9 短時傅立葉處理時間-幅值圖

圖10 短時傅立葉處理頻率-時間圖

圖11 短時傅立葉處理頻率-幅值圖

圖12 ～17為采用等角度重采樣方法對振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果，從圖12和圖13兩個三維譜圖上可看到，與短時傅立葉變換相比，采用等角度的方法可更清晰的看到燃發(fā)器和動力渦輪的振動變化情況，在圖上可看出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，燃發(fā)器和動力渦輪頻率分量的振動值也在減小，但減小速度并不像短時傅立葉所顯示的那么迅速，而且從圖14和圖15可看出在整個過程中，燃發(fā)器和動力渦輪最大振動值都為5．1 g左右。

圖12 對燃發(fā)器等角度分析三維圖譜

圖13 對動力渦輪等角度分析三維圖譜

圖14 對燃發(fā)器等角度分析階次-幅值圖譜

圖15 對動力渦輪等角度分析階次-幅值圖譜

圖17 對動力渦輪等角度分析時間-幅值圖譜

根據(jù)仿真計算的經(jīng)驗，在處理發(fā)動機過渡態(tài)時，采用重采樣的方式計算出的振動幅值更為準確，因此在這個過程中，發(fā)動機的最大振動值應該是5．1 g左右而不是短時傅立葉分析出的3．5 g結(jié)果，而且在這個發(fā)動機停車過程中，發(fā)動機的振動在逐漸下降，但是下降速度應該較緩慢。

4 總結(jié)

采用等角度采樣對發(fā)動機過渡態(tài)振動數(shù)據(jù)進行分析，可得出結(jié)論:

(1)采用等角度的方法可以更清晰的看到燃發(fā)器和動力渦輪的振動變化情況。

(2)采用等角度的方法可以更為準確的得到發(fā)動機的振動幅值，而采用短時傅立葉的做法會縮小振動幅值，有可能錯過發(fā)動機振動超限的故障。

［1］ Antonia J，Bonnardot F．Cyclostationarymodeling of Rotatingmachine Vibration Signals［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2004(18):1285-1314．

［2］ 傅俊慶，廖坤鵬．轉(zhuǎn)速隨機波動旋轉(zhuǎn)機械振動信號的周期平穩(wěn)性［J］．長沙理工大學學報，2006，3(4):49-53．

［3］ Remond D，Mahfoudh J．From Transmission Error Measurements to Angular Samp Ling in Rotating Machines with Discrete Ge2 Ometry［J］．Shock and Vibration，2005(9):1-13．

［4］ 楊炯明．旋轉(zhuǎn)機械階比分析技術(shù)中階比采樣實現(xiàn)方式的研究［J］．重慶大學學報，2004，16(3):249-253．

［5］ 孔慶鵬．發(fā)動機變速階段振動信號時頻分析階比跟蹤研究［J］．振動工程學報，2005，18(4):448-452．

［6］ 李 輝，鄭海起，唐力偉．基于階次跟蹤和變換時頻譜的軸承故障診斷［J］．振動、測試與診斷，2010，30(2):125-128．