航空發動機振動自動報警系統設計及應用

葛向東， 張東明， 高強

（沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

軍用發動機為滿足高速、高效率、高機動性戰機的需求，總體上向著高推重比/功重比的方向發展，各種減重增荷措施的使用（如空心高負荷葉片、薄壁和細長結構等），加之氣動/噪聲載荷增加，工作環境惡化等因素，發動機更加易振，結構也更易產生疲勞損傷，縮短了翻修周期（TBO），增加了平均故障間隔時間（MTBF）和維修費用，給高性能航空發動機研制和安全可靠使用帶來更大的挑戰。

作為影響發動機安全可靠性的直接因素，整機振動異常是長期制約發動機發展的關鍵技術之一?？v觀國內外，所有發動機都無一例外地發生過振動故障，是貫穿航空發動機全壽命周期的共性問題，也是影響武器裝備交付和保持武器裝備完好的關鍵問題。但對于我國，發動機整機振動問題則更為突出，成為嚴重制約我軍武器裝備可持續發展的重大現實問題。

隨著計算機網絡技術和自動化控制技術的飛速發展，測控系統也得到了迅猛發展，特別是以太網技術進入工業控制領域，開辟了工業控制的新天地。以太網技術在工業企業信息化系統中的管理層和監控層已得到了廣泛應用，并將逐步成為工業控制網絡的主流技術。作為工業皇冠明珠的航空發動機依然采用效率低下的整機振動人工監控報警模式，顯然落后于科學技術進步腳步，隨著整機試驗臺數量能力的提高，為改善整機振動測試人員緊張局面，集先進自動化及網絡化資源優勢特點，開發了整機振動參數自動監控報警系統，實現了無人值守、時間同步、及時性等特色功能。

1 整體方案設計

系統由振動傳感器、電荷放大器、動態信號采集器、工控交換機、動態信號采集軟件及計算機、振動數字信號提取軟件、穩態采集振動數字信號接收軟件及計算機、上位機、投影屏等組成。

測振傳感器選用壓電式加速度傳感器，其主要性能指標為：靈敏度為50 pC/g±5%、頻率響應為10～2500 Hz、最大可測加速度為1000 g、工作溫度為-54～482℃濕度密閉式、耐沖擊為2000 g、殼體材料為鉻鎳鐵合金。

電荷放大器選用差分調理式，其主要性能指標為：通道數為4通道/臺、輸入方式為差動輸入、輸入阻抗為50 kΩ、AC帶通速度濾波帶寬為10～2000 Hz（不平坦度不大于±0.2 dB）、DC帶通速度濾波帶寬為第一、二套每通道均為50～250 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB）；第三套前兩個通道為20～70 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB），后兩個通道為50～250 Hz（不平坦度不大于±0.1 dB）、最大輸入電荷量為20000 pC、量程為0～100 mm/s（RMS值）、精度為±5%、輸出信號為電源及輸出口4～20 mA DC診斷口0～5V AC、可靠性為MTBF≥20 000 h、空氣溫度為-10℃～＋65℃、防護等級為IP65、振動（最大峰值）為6.0 g（5 ～2000 Hz）。

動態信號分析儀主要性能指標：頻率范圍為DC～25.6 kHz、A/D轉換為24位、輸入電壓范圍為8檔量程：從7.071 mVpeak至7.07 Vpeak，10 dB一檔，+12 Vpeak、輸入信號地耦合為浮地或單端（接地到機殼）、輸入阻抗為CCLD＞100 kΩ、絕對最大輸入為±35Vpeak、高通濾波器為DC（fL＝0）0.7 Hz，高通濾波器7 Hz數字高通濾波器，22.4 Hz高通濾波器、絕對幅值精度，1 kHz，1Vpeak為±0.05 dB，典型為±0.01 dB、衰減器線性度@1k Hz為±0.05 dB,典型為±0.005 dB、通道匹配最大增益差為0.2 dB、絕對最大共模電壓為±5 Vpeak不損壞±3 Vpeak不削波如果共模電壓超過了最大值，為了防止損壞，必須采取措施限制信號地的電流，最大值為100 mA，此措施將使電壓限制在聲明的最大“無損”共模電壓之內、ICP/CCLD加速度計供電為4 mA，24 V電源。

如果有任何一個ICP/CCLD耦合通道和其它的通道并行，那么供電必須是ICP/CCLD耦合的，否則信號可能被并行的通道削波、過載監測為CCLD過濾：監測電纜線短路或斷路+檢測CCLD傳感器工作點錯誤，共模電壓過載，信號過載。

圖1 系統工作流程原理圖

當發動機振動傳感器感受到機械振動時，傳感器內部壓電晶體會根據感受到加速度大小產生線性對應的電荷量，通過耐高溫電纜將電荷信號傳輸至電荷放大器，放大器根據感受電荷量的大小通過內部運算放大電路進行放大、濾波產生電壓信號，進而通過電纜輸送給后端數據采集分析系統進行A/D轉換，完成采集、記錄、分析。隨后通過二次開發軟件進行振動特征量的提取，采用UDP協議將各測點振動數據打包發送至上位計算機，每個數據包共計80個字節，為單精度浮點型，可實時傳輸20個振動測點數據。計算機接收數據包后按約定測點順序及工程單位完成振動值實時解調、記錄與顯示功能。控程序按各型號發動機對應振動限制值情況進行實時監控，振動超限自動報警。

圖2 振動數據提取

2 系統應用

2.1 應用情況

振動參數提取特征值為轉速基頻跟蹤振動值，需在動態測試軟件中設置order函數組，完成實時階次振動值計算。用編譯的二次軟件提取order函數組中各測點振動值。待連接上位機通訊正常后，計算機可實時對提取的振動特征值進行發送。由于階次分析后，得到的位移和速度是公制單位的有效值，轉換為英制單位，需要乘以某個參數，位移需要乘111338.3600得到mil工程單位，速度需要乘55.6690得到in/s工程單位，限定值單位為mm/s需要乘以1414。

通訊系統軟件項配置為Working Name設置為Working；RecorderName設置為Recorder，數據記錄目錄是用來選擇保存振動數據的位置，IP地址和端口號根據實際情況進行配置。

圖3 振動數據接收顯示

圖4 振動變化趨勢圖

發送數據計算機按指定上位機的IP地址和約定端口號完成UDP協議下數據交換，然后據相關型號發動機的工程單位及物理量綱完成數據的實時解調及顯示，如振動大于設定限制值將給予操作人員提示。

試驗結束后，依靠過渡態數據回放數據軟件可快速調取振動數據，顯示振動變化趨勢，同時可對比其他熱工參數與發動機振動響應變化規律，改變使用原動態分析軟件回放動態數據耗時長、效率低等缺點，極大地改善數據分析效率。同時更好地解決了振動參數與其他熱工參數數據時間同步問題，為解決振動故障診斷提供了新維度的數據支撐。

2.2 注意事項

數據通訊軟件設置中的數據目錄和模板的鏈接都不要含有中文，測試模板名稱也不要含有中文。在試車過程中數據通訊軟件和模板不要最小化，堆疊放置即可。模板設置過程中buffer不要超過600 s，以免長時間運行軟件占用緩存過多導致死機。在紅燈界面點擊連接設備進入綠燈界面后，要確定模板打開狀態，可手動點擊刷新和采集，也可等待模板自動打開（1~2 min），確定模板完全打開后，點擊開始發送。在試車過程中，如果軟件死機，當recorder中start觸發為mAnual1時，重啟軟件后點擊手動觸發，當start觸發為trigger3時，更改觸發為 mAnual1，重新發送。每天開始前應盡快打開數據通訊軟件完成數據發送，以免試車前軟件出現問題影響數據傳輸。

圖5 振動通訊異常提示

圖6 振動超限提示

3 突發情況及處理辦法

3.1 通訊異常

因發動機試驗過程中，通訊軟件為實時接收數據包，如出現數據中斷導致無法連續接收振動數據情況，實現中斷判據是以“振動腳印”形式完成振動數據包的時時累計，3 s內數據包數量不發生疊加則判定為振動信號通訊出現異常，上位機會在顯示窗口適當位置提示“振動通訊異?！弊謽?，發動機降至慢車，隨后通知跟試人員進行問題排查。

圖7 設備故障類型

3.2 振動超限

振動數據在傳輸過程中，上位機接收到的任意時刻振動數據默認都是發動機真實機械振動，如出現振動超限情況，會在顯示窗口適當位置提示“振動超限”字樣，發動機降至慢車，隨后通知跟試人員進行問題排查，主要確認振動超限現象是設備故障還是發動機機械振動原因，最后給出專業意見。

3.3 人員配置情況

整機振動測試人員保證每個試車臺片區都有整機振動測試專業人員，出現問題及時奔赴現場解決，同時各跟試人員每隔2 h對試驗發動機振動測試系統進行巡檢，確認系統正常工作。發動機振動超限、發動機上臺前5次試驗、軟件通訊異常、需整機振動測試人員跟試，其余情況均由測控系統完成振動參數自動監控報警。

4 結語

在現有振動測試系統基礎上，設計了航空發動機整機振動監控參數自動報警系統，由測控程序完成振動超限自動報警，擺脫原一崗一人振動超限手動報警模，實現了無人值守，提高了整機振動監控效率。

同時此系統解決了振動異常時振動參數與其它參數時間同步問題，為更好地發現振動故障發生時與其他相關熱工相關參數聯動規律性提供了數據支撐。

測控程序完成振動超限時自動報警，可明顯提高振動超限報警及時性，可更好地保障發動機機械運行安全。

[1]楊育紅.Lon網絡控制技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999.

[2]馬國華.監控組態軟件及其應用[M].北京:清華大學出版社,2001.

[3]王忠民.基于LNS的LonWorks網絡控制設計與實現[D].上海:同濟大學,2002.

[4]陳惠華,王忠民,陳輝堂,等.自動監控系統軟硬件的完整解決方案[J].蘇州科技大學學報(工程技術版),2003,16(2):80-85.