航空發動機振動信號整周期等相位重采樣技術研究

摘 要：針對航空發動機風扇轉子不平衡產生的振動信號頻譜泄漏問題，提出了高齒標記的整周期等相位重采樣技術，極大的提高了風扇轉子振動信號幅值和相位測量的準確度和穩定性。經仿真驗證， 可廣泛應用于航空發動機風扇轉子動平衡領域。

關鍵詞：振動信號；高齒；整周期；等相位重采樣

航空發動機風扇轉子不平衡產生的振動信號是與N1轉速同頻的周期信號，精確獲取與轉速同頻信號的振幅、相位是對風扇進行動平衡的前提。

在實際測量中，為了簡化硬件設計往往是采用固定采樣頻率進行連續采樣。在此過程中，N1轉子的轉速或多或少會有一些波動，再加上其它測量誤差，若采用采樣數據直接進行FFT計算，會導致譜泄漏效應和截斷誤差。

為此，本文提出了基于N1轉速的振動信號重采樣技術。以轉速高齒信號為基準，在軟件中查找兩個高齒信號之間數據，對整周期的信號利用等相位法線性插值法，重構每周期數據，而后在進行FFT計算。這樣可以保證數據的整周期性和同相位性[1]。

1 N1轉子數據采集

為了實現振動信號的高齒時刻（相位）標記，使用邏輯單元控制A/D采樣振動信號，固定采樣頻率fs為10KHZ。當識別到高齒信號，標記此刻采集到的振動信號，同時邏輯單元將本時刻采集到N1值寫入此振動信號后FIFO單元中，然后按照fs繼續采樣振動信號，當下次識別到高齒信號繼續標記振動信號，寫入N1轉速值到FIFO，重復進行上述采樣、標記過程。

在讀取振動信號FIFO后可獲知當前時刻轉速值，當轉速增加時兩個高齒標記振動信號之間的振動點數增加。由于轉子非穩定運行時，轉速的擺動不是常量，轉子的幅值和相位就會由于非等相位采樣而出現較大的擺動，這將直接影響動平衡的平衡效果和平衡效率[2]。

2 振動信號重采樣

對于風扇轉子的振動信號，采用整周期等相位的方式采樣。轉子每轉動1周，采集32個數據點，共采集32個周期，作為1幀狀態原始數據予以儲存、顯示和實時分析。

2.1 等相位采集原理

在轉子轉動一周內，轉速信號頻率為f（t）， 32個數據點相鄰采樣點之間對應N1轉子轉動相位為∫tn+dttn2πf（t）dt，等相位采樣則有：

∫tn+dttn2πf（t）dt=∫tntn-dt2πf（t）dt

其中dt0=132f（0），假設轉子轉動1周內轉速為線性變化，有：k=f（32）f（0）Num/fs，f（0）為起始高齒標記振動時刻N1轉速頻率，f（32）為轉動一周結束時刻N1轉速頻率，Num為轉動一周內固定采樣頻率采集到的振動點數。

可化簡為：

f（0）dt0+12kdt20=f（0）dt1+kdt0dt1+12kdt21

求解dt1，同理可分別求出dt2……dt30。對固定采樣的振動信號根據線性插值，插值公式為：

y（n）=x（nceil）+x（nceil）-x（nfloor）1/fs[nfloor1fs-∑n[]0ti]

其中x（i）為原始振動采集信號，y（0）為高齒標記振動點，

nceil=ceil（n0dti1fs），nfloor=floor（n0 dti1fs），ceil和floor分別為向上取整和向下取整。于是可得到：y（1）……y（31），選取速度最接近且速度變換最小的32個周期振動數據進行FFT變換，求取此轉速頻率下對應的幅值和相位信息。

2.2 仿真分析

仿真條件為：轉速f（0）=40HZ、k=2.8HZ/S，振動幅值A=1，振動相位=0，固定采樣率fs=10KHZ。對于非穩態信號，由傳統法和整周期重采樣法得到仿真結果如下圖所示。

固定采樣和等相位整周期重采樣FFT結果對比圖

對于非穩態信號，固定采樣的幅值誤差為10%，相位誤差12%，將嚴重影響動平衡的準確性，而整周期等相位重采樣法的誤差較小。

3 結語

本研究采用高齒信號標記及整周期等相位重采樣處理，對于非穩態信號，可有效提高幅值及相位精度。由于采集系統成本低、處理精度高，可廣泛用于航空發動機風扇轉子動平衡領域。

參考文獻：

[1]廖明夫， 楊伸記.火箭發動機渦輪泵振動信號的同步整周期采集[J].導彈與航天運載技術，2003.

[2]王四季，廖明夫，楊伸記.發動機高速動平衡的振動相位分析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2007.

作者簡介：趙建平（1986），男，陜西西安人，研究生，工程師，主要從事航空發動機健康管理技術領域研究。