基于振動值的機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)

曹繼來，洪偉榮，李 穎，宣海軍

（浙江大學(xué)化工過程機(jī)械研究所，杭州310007）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，輪盤和轉(zhuǎn)鼓環(huán)意外破裂所產(chǎn)生的碎塊具有極高的能量，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)嚴(yán)重受損[1]。為避免高能碎片穿透機(jī)匣，對飛機(jī)其他部件造成二次傷害，試飛前需要對發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容能力進(jìn)行試驗。航空強(qiáng)國對發(fā)動機(jī)包容問題的研究都非常重視，在民、軍用航空發(fā)動機(jī)規(guī)范中都有專門條文對包容性作出嚴(yán)格規(guī)定[2]。航空發(fā)動機(jī)包容試驗內(nèi)容之一是研究葉片飛斷及機(jī)匣內(nèi)側(cè)受斷裂葉片撞擊刮擦情況[3]，要求對必要的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄采集。在浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所高速旋轉(zhuǎn)實驗室所進(jìn)行的多次航空發(fā)動機(jī)包容試驗中，葉輪在預(yù)置缺陷的情況下，其爆裂飛出轉(zhuǎn)速要在70000r/min以上。假設(shè)葉輪在轉(zhuǎn)速70000r/min時發(fā)生葉片飛斷，此時葉輪旋轉(zhuǎn)1周用時為8.6×10-4s，此時葉片飛斷時間極短，給試驗研究工作帶來了較大困難。試驗中能否及時有效地控制高速攝像機(jī)、應(yīng)變儀及其示波器等相關(guān)設(shè)備對葉輪爆裂時刻的數(shù)據(jù)采集成為試驗成敗的關(guān)鍵。在以往的機(jī)匣包容試驗中，由于機(jī)匣和葉輪之間存在較大的間隙，數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要采用其間纏繞通電線圈的方式進(jìn)行控制，飛斷葉片割斷通電線圈從而為數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制端提供1個正向或負(fù)向電壓脈沖，從而控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備自身內(nèi)存可以保存觸發(fā)時刻之前一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，切斷通電線圈的延遲時間小于設(shè)備內(nèi)存保存的觸發(fā)前數(shù)據(jù)，故傳統(tǒng)的割斷觸發(fā)線圈的觸發(fā)方式準(zhǔn)確可靠，能夠及時準(zhǔn)確地控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備。而對于葉輪與機(jī)匣之間的間隙在0.5mm以內(nèi)時，其間沒有足夠的空間放置通電線圈的情況，傳統(tǒng)的割斷通電線圈的觸發(fā)方式不能滿足試驗要求，需要尋找新的觸發(fā)方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的控制[4]。

為了在切斷通電線圈不能應(yīng)用的場合實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備及時準(zhǔn)確地控制[5-7]，自行開發(fā)了基于振動幅值的機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)的工作原理和功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，并通過試驗對系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證。

1 觸發(fā)系統(tǒng)

基于振動幅值的機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)[8]（如圖1所示）主要包括振動信號采集系統(tǒng)、觸發(fā)控制系統(tǒng)、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、觸發(fā)延時測試系統(tǒng)等，其中觸發(fā)控制系統(tǒng)為基于振動幅值的機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)的核心部分；振動信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)軸振動信號的采集，提供可靠的觸發(fā)信號源；觸發(fā)電路實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時控制，采集葉輪破裂時刻相關(guān)數(shù)據(jù)信息；觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)觸發(fā)延時性能的評估，通過對整個系統(tǒng)中主要元件的電位變化通過LabVIEW程序進(jìn)行采集，對電位變化的時間差進(jìn)行評估。

圖1 機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)組成

2 觸發(fā)系統(tǒng)工作原理

2.1 振動信號采集系統(tǒng)

振動信號采集系統(tǒng)主要包括電渦流位移傳感器和前置變換器，其中電渦流位移傳感器運(yùn)用感應(yīng)電渦流原理[9-12]，即高頻交變磁場在金屬表面感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，如圖2所示。

圖2 電渦流位移傳感器原理

前置變換器主要包括振蕩器、源極輸出、正反饋放大器、檢波濾波4部分[12]。其中振蕩器供給傳感器線圈高頻振蕩訊號，由正反饋放大器將傳感器的輸出電信號加以放大驅(qū)動負(fù)載，高頻載波信號經(jīng)檢波濾波得到直流信號，最后得到的直流信號作為觸發(fā)信號源送到位移振幅測量儀[9]。

2.2 觸發(fā)信號控制系統(tǒng)及觸發(fā)電路

觸發(fā)控制系統(tǒng)及觸發(fā)電路主要由位移振幅測量儀和繼電器控制電路組成。其中位移振幅測量儀主要包括直流放大器、交流放大器、雙峰檢測電路、報警電路和穩(wěn)壓電源等。直流放大器包括運(yùn)算放大器IC1和IC2構(gòu)成的電壓放大部分及三極管組成的電流放大部分，前置器輸出信號經(jīng)過直流放大器的信號放大處理，產(chǎn)生與位移量相關(guān)的電壓輸出；交流放大器位于直流放大器之后，由運(yùn)算放大器IC3和三極管電流放大器組成，直流放大器放大處理后的信號經(jīng)過交流放大器進(jìn)一步放大，產(chǎn)生與振幅量相關(guān)的電壓輸出；峰峰檢測電路主要由正、負(fù)峰檢波器及差動輸入級組成，交流放大器輸出端信號被送入雙峰檢測電路，測量振動峰峰值[9]；報警電路主要包括開環(huán)放大器和積分器，當(dāng)振幅值超過設(shè)定值時，開環(huán)放大器反轉(zhuǎn)，積分電路積分延時達(dá)到設(shè)定時間后，驅(qū)動繼電器動作，報警輸出觸點斷開。在振幅測量時，當(dāng)振動超過預(yù)先設(shè)定的報警值時，設(shè)備發(fā)出報警訊號同時控制內(nèi)置的繼電器開關(guān)動作，實現(xiàn)觸發(fā)功能。試驗中位移振幅測量儀采用浙江大學(xué)自儀小組自主研發(fā)的ZZF型位移振幅測量儀，工作原理如圖3所示[12]。

圖3 位移振幅測量儀原理

位移振幅測量儀延時報警功能主要由定時和觸發(fā)報警電路實現(xiàn)，其中定時電路用于檢測輸入信號中高電平及高電平維持時間，當(dāng)輸入信號的維持時間大于延時時間t 時，觸發(fā)報警電路。合理地設(shè)置t，使觸發(fā)達(dá)到快速響應(yīng)，同時又有效地避免外界短暫的干擾[13]。觸發(fā)電路由位移振幅測量儀、繼電器、高速攝像機(jī)、示波器、應(yīng)變儀以及相應(yīng)的屏蔽信號線組成。其中位移振幅測量儀作為觸發(fā)控制系統(tǒng)的的核心，對觸發(fā)電路性能好壞起到了決定性作用；繼電器是高速攝像機(jī)、示波器、應(yīng)變儀的主控元件，要求其動作響應(yīng)迅速，延遲時間小。觸發(fā)電路原理如圖4所示。

圖4 觸發(fā)電路原理

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)備采用美國NI公司生產(chǎn)的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，最大采樣頻率為50kHz。采集程序應(yīng)用配套的LabVIEW軟件自行編寫的采樣程序，采集通道運(yùn)用差分輸入模式，單通道采樣率為10240 Hz。試驗需要采集的物理量為旋轉(zhuǎn)軸的振動信號，合理地進(jìn)行采集電路的連接即可完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)[14]。

2.4 觸發(fā)延時測試系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，由外界振動信號引起的觸發(fā)具有一定的時序性。觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于評估電路延時性能，通過LabVIEW程序?qū)﹄娐分胁煌碾娢蛔兓M(jìn)行采集，由于不同元件采集得到的數(shù)據(jù)具有相同的時間基準(zhǔn)，利用采集得到的電位數(shù)據(jù)繪制時域曲線，比較不同元件的電位變化的時間差值，達(dá)到對整個系統(tǒng)的觸發(fā)延時性能評估的目的。在系統(tǒng)工作時，外界振動信號要主要經(jīng)過電渦流位移傳感器、前放大置器、位移振幅測量儀、繼電器開關(guān)等，最終控制相應(yīng)的數(shù)采設(shè)備工作。依據(jù)信號的傳輸過程，依次選取傳輸通道上的V1、V2、V3、V4、V55個位置進(jìn)行電位采集。測點V1為位移振幅測量儀電平輸出端與COM端的電位，其電位變化反映了旋轉(zhuǎn)軸的振動情況，得到觸發(fā)信號源滿足觸發(fā)條件的時刻值。電阻R1、R2為2個串聯(lián)的電阻，其阻值均為1kΩ，測70B9V2為電阻1兩端的電壓值；測點V2的電位變化反映了位移振幅測量儀ALARM與ON端口開啟與閉合情況，從數(shù)據(jù)中可以讀出位移振幅測量儀繼電器觸點的動作時刻；在測點V3、V4、V5分別測試高速相機(jī)、應(yīng)變儀、示波器輸入信號電位變化情況，分析電位變化可以得出相應(yīng)元件的工作時刻。

3 試驗結(jié)果

觸發(fā)的及時性和有效性是觸發(fā)系統(tǒng)性能評估的重要指標(biāo)，要求在振動信號產(chǎn)生階躍突變的瞬間，實現(xiàn)觸發(fā)功能，控制內(nèi)置繼電器觸點斷開，達(dá)到控制后置數(shù)據(jù)采集設(shè)備目的；同時該系統(tǒng)還能有效地避免外界干擾信號對觸發(fā)的影響，防止因誤觸發(fā)而導(dǎo)致試驗失敗。

3.1 觸發(fā)系統(tǒng)延時測試

在試驗前，需要對觸發(fā)延時性能進(jìn)行評估。高速相機(jī)、應(yīng)變儀、示波器本身的動作時間非常短，可以忽略，故測點V3、V4、V5的動作時刻可近似為繼電器KM觸點的。根據(jù)使用的繼電器的制造工藝參數(shù)可知，其動作時間在20ms以內(nèi)。通過LabVIEW程序?qū)y點V1、V2電位變化采集估算位移振幅測量儀從接收到信號到內(nèi)置繼電器觸點動作的時間差。

在延時性能測試時采用電壓信號來替代前置變換器的輸出信號，測點V1、V2的電位變化情況分別如圖5、6所示。從圖中可見，測點V1、振幅位移測量儀電平輸出端電壓和測點V2電壓值從高到低電位的突變時刻分別為第11.16和11.24s，振幅位移測量儀從接收振動信號突變到控制內(nèi)置繼電器觸點動作延時為0.08s。對于數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有一定的緩沖數(shù)據(jù)存儲功能，可以保存在觸發(fā)發(fā)生前一定時間段的數(shù)據(jù)。在試驗中，為兼顧圖像清晰度與存儲容量的矛盾，高速相機(jī)采樣幀頻設(shè)置為10000，采用CENTRE觸發(fā)模式，緩沖數(shù)據(jù)保存時間為0.9s。試驗室應(yīng)變采集采用EDX2000A動態(tài)數(shù)采儀，采集到撞擊瞬間機(jī)匣應(yīng)變數(shù)據(jù)設(shè)置采樣頻率為200kHz，可以保存觸發(fā)前0.3s內(nèi)的數(shù)據(jù)。示波器采用具有外觸發(fā)式多通道數(shù)字存儲示波器，其采樣率可以設(shè)置較高值。試驗中設(shè)采樣頻率為50MHz，觸發(fā)前數(shù)據(jù)保存時間為2s。通過分析得出，系統(tǒng)總的延時時間為振幅位移測量儀和繼電器延時時間之和約為0.1s，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備緩沖數(shù)據(jù)存儲時間遠(yuǎn)大于0.1s，故觸發(fā)系統(tǒng)可以較好地完成試驗。

圖5 測點V1電平輸出信號

圖6 測點V2電壓信號

3.2 包容試驗分析

在航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗中，合理設(shè)置參數(shù)是試驗順利完成的保障。低頻電子設(shè)備普遍存在受50 Hz工頻干擾的現(xiàn)象[15]，因此，位移振幅測量儀的延時時間要大于該值，試驗中延時時間設(shè)置為0.05s，以有效避免因工頻干擾而引起誤觸發(fā)。在試驗中，由于輪盤預(yù)置裂紋破壞了對其自身平衡性能，系統(tǒng)經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時的增速頭內(nèi)高速柔性軸振幅約為0.300mm，葉輪爆裂高速柔性軸的振幅一般在0.600mm以上，為避免因高速旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時振幅增加引起誤觸發(fā)，將位移振幅測量儀預(yù)定報警值設(shè)定為0.500mm。高速相機(jī)拍攝到的葉片飛出時刻的照片如圖7所示。從圖中可見，下方開始有部分葉片輪盤飛出。示波器有效采集得到相差90°方向旋轉(zhuǎn)軸振動波形，輪盤爆裂后旋轉(zhuǎn)軸的振動數(shù)據(jù)也得到有效采集，旋轉(zhuǎn)軸的劇烈振動維持時間約為45.6ms，如圖8所示。

圖7 葉片飛出時高速相機(jī)照片

圖8 觸發(fā)前后示波器數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

基于振動幅值的機(jī)匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)有效地控制了高速相機(jī)、應(yīng)變儀、示波器，較好地采集到葉輪飛斷時刻的數(shù)據(jù)，從而在切斷通電線圈不能應(yīng)用的場合實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備及時準(zhǔn)確地控制。

致謝

感謝中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所對航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣包容試驗的數(shù)據(jù)采集工作給予支持和幫助！

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