渦軸發(fā)動機轉子碰摩故障振動信號分析

翟歡樂，黃磊

(江蘇航空職業(yè)技術學院航空工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212134)

0 前言

燃氣渦輪和動力渦輪是渦軸、渦槳發(fā)動機的核心部件，決定著發(fā)動機性能狀態(tài)。渦軸、渦槳發(fā)動機常被應用到直升機上，由于其機動性能、作用空域多變，致使發(fā)動機工作環(huán)境比民航發(fā)動機工作工況更為復雜。渦軸發(fā)動機的轉子系統(tǒng)工作在高載荷、高溫、高轉速下，經(jīng)常會在發(fā)動機過渡態(tài)發(fā)生轉子碰摩，而碰摩異?，F(xiàn)象會被反映到振動信號中，但同時振動信號會耦合其他故障監(jiān)測信息，使得碰摩故障監(jiān)測難度較大。

轉子碰摩分為單點碰摩、多點碰摩和面碰摩。MUSZYNSKA、袁惠群、褚福磊、WILLIAMS等的研究使得轉子碰摩實現(xiàn)了從原理分析到數(shù)學求解、從有限元仿真到實物模擬，并應用于工程。隨著碰摩理論研究的深入，針對不同情況開展的碰摩研究較多。目前，工程應用較多的依舊是根據(jù)碰摩故障的振動響應特性，結合出現(xiàn)碰摩時出現(xiàn)的多倍頻、分數(shù)倍頻及組合頻率成分實施故障監(jiān)測。

由工程實踐研究表明，發(fā)動機在加減速過程中，尤其是轉子轉速達到最大的過程，轉子的振動幅值變化異于發(fā)動機穩(wěn)定態(tài)，相比其他工作階段更容易導致碰摩故障的發(fā)生。因此，本文作者以某型號渦軸發(fā)動機的試車曲線及振動信號為基礎，通過試驗仿真研究渦軸發(fā)動機在運動過程中發(fā)生的局部碰摩故障；基于碰摩的振動響應特征，結合三叉樹算法，提出渦軸發(fā)動機轉子碰摩故障的診斷流程。

1 三叉樹搜索算法

由于轉子發(fā)生局部碰摩時，其振動信號部分統(tǒng)計特征參量會發(fā)生突變，而碰摩故障引起的突變與其他故障引起的沖擊特征存在區(qū)別，碰摩故障通常會在轉子碰摩部分形成碰摩帶，出現(xiàn)較多的次諧波成分，使得其部分統(tǒng)計特征，如總量等發(fā)生明顯變化。而振動信號突變是檢測部分故障發(fā)生的關鍵，因此在碰摩故障監(jiān)測算法中引入三叉樹搜索算法，提高故障識別的準確率。三叉樹搜索算法是基于二叉樹而建立的一種快速搜索算法，能夠避免二叉樹無法檢測出異常點出現(xiàn)在端點的缺陷問題。

A,-1,2)

(1)

圖1 均值三叉樹結構示意

圖2 差值三叉樹結構示意

將均值序列、差值序列的左、中、右分支分別記為A，,:L、A，,:M、A，,:R、D，,:L、D，,:M、D,,:R，并根據(jù)式(2)和式(3)計算各節(jié)點的值。基于式(4)—(9)分別計算均值和差值三叉樹左、中、右分支的-統(tǒng)計波動量。

(2)

(3)

=,:L=(A，=1,:L)=

(4)

=,:M=(A，=2,:M)=

(5)

=,:R=(A,=1,:R)=

(6)

=,:L=|D,-1,2-1|=

(7)

(8)

=,:R=|D，-1,2|=

(9)

式中:()和()分別為-統(tǒng)計中的累積分布函數(shù)和理論分布函數(shù)；==2(-2);1≤≤2。

由于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計差異出現(xiàn)在突變前后，計算出左、中、右分支后，根據(jù)搜索規(guī)則1選擇波動量較大的分支繼續(xù)向下搜索。搜索規(guī)則1描述如下：

(1)滿足式(10)的條件，選擇左分支搜索：

[max(,:L,,:M,,:R)=,:L]∧[,:L>

()]

(10)

(2)滿足式(11)的條件，選擇右分支搜索：

[max(,:L,,:M,,:R)=,:R]∧[,:R>

()]

(11)

(3)滿足式(12)的條件，選擇中間分支搜索：

()]

(12)

當某個分支被選擇時，其他分支被舍棄。在搜索規(guī)則1下，突變異常點出現(xiàn)在左、右分支端點處時，搜索規(guī)則1將會失效。因此，需要按照搜索規(guī)則2進行搜索。搜索規(guī)則2描述如下：

(1)滿足式(13)的條件，選擇左分支搜索：

[max(,:L,,:M,,:R)=,:L]∧[,:L>

()]

(13)

(2)滿足式(14)的條件，選擇右分支搜索：

[max(,:L,,:M,,:R)=,:R]∧[,:R>

()]

針對科技服務機構、技術轉移人才服務能力不足等問題，充分發(fā)揮省科技創(chuàng)新服務聯(lián)盟、省技術轉移聯(lián)盟、省技術產(chǎn)權交易市場等作用，集聚科技創(chuàng)新服務資源，開展綜合性、專業(yè)化一站式服務。提升大學科技園、科技企業(yè)孵化器、加速器、眾創(chuàng)社區(qū)等各類孵化載體技術轉移轉化功能。引導咨詢、評估、法律、創(chuàng)業(yè)投資等各類服務機構跨界發(fā)展，集成技術轉移全鏈條服務［8］。建立技術轉移人才培育機構，培養(yǎng)一批懂技術、懂法律、會經(jīng)營管理、懂市場運作、復合型、專業(yè)化的技術轉移人才隊伍。

(14)

(3)滿足式(15)的條件，選擇中間分支搜索：

[max(,:L,,:M,,:R)=,:M]∧[,:M>

()]

(15)

式中:()、()分別為在給定的、置信下，滿足差值序列分布的臨界值,據(jù)顯著性水平和樣本個數(shù)查詢-統(tǒng)計表得到臨界值()。如果來流數(shù)據(jù)在兩條搜索規(guī)則下都未能檢測出突變點，則認為該序列不存在突變點。

2 轉子局部碰摩監(jiān)測模型

由于渦軸發(fā)動機轉子系統(tǒng)發(fā)生局部碰摩時，碰摩會增大運動阻尼、振動信號具備沖擊且雜波成分較多，因而會導致能夠反映振動信號的一些特征參數(shù)發(fā)生變化。因此，局部碰摩監(jiān)測模型基于無量綱的統(tǒng)計特征參數(shù)實現(xiàn)。這些統(tǒng)計特征參數(shù)包括：脈沖指標、峭度指標、裕度指標、總量、余量。

渦軸發(fā)動機動力渦輪、燃氣渦輪轉子轉速差較大，且其振動信號中耦合有其他振動信號成分，因此需要多振動信號進行整周期重采樣，提高頻率分辨率、降低頻譜變換導致的泄漏。由于局部碰摩故障常發(fā)生在轉速過渡態(tài)，如發(fā)動機的提速過程，因此碰摩檢測過程中需要基于發(fā)動機轉速狀態(tài)、試驗機的振動限制值等進行綜合判定。在某研究所的試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)設定的基礎上提出轉子局部碰摩監(jiān)測模型，其流程如圖3所示。局部碰摩步驟描述如下：

圖3 渦軸發(fā)動機轉子局部碰摩檢測流程

步驟1，根據(jù)轉速信號判斷時刻轉子工作狀態(tài)(穩(wěn)態(tài)或過渡態(tài))，同時根據(jù)振動信號判斷時刻振動是否超限；

步驟2，基于步驟1的判定結果，數(shù)據(jù)分析流被分為四類：穩(wěn)態(tài)且振動正常、過渡態(tài)且振動正常、穩(wěn)態(tài)且振動超限、過渡態(tài)且振動超限，這四類數(shù)據(jù)流監(jiān)測方式均是通過無量綱特征指標進行判斷；

步驟3，計算脈沖指標，并基于三叉樹突變檢測算法檢測時刻的脈沖指標是否發(fā)生突增，若是，則轉入步驟4，否則跳轉步驟7；

步驟4，計算峭度指標，并基于三叉樹突變檢測算法檢測時刻的峭度指標是否發(fā)生突增，若是，則轉入步驟5，否則跳轉步驟7；

步驟5，計算裕度指標，并基于三叉樹突變檢測算法檢測時刻的裕度指標是否發(fā)生突增，若是，則轉入步驟6，否則跳轉步驟7；

步驟6，計算總量、余量指標，并基于三叉樹突變檢測算法檢測時刻的總量、余量是否發(fā)生突增，若是(即步驟3、4、5、6全部滿足)，則得出轉靜子發(fā)生局部碰摩故障，否則跳轉步驟7；

步驟7，終止振動信號數(shù)據(jù)流的后續(xù)判斷，并得出非局部碰摩故障，疑似其他故障類型，需要進一步分析。

3 渦軸發(fā)動機轉子振動信號分析

3.1 某渦軸發(fā)動機轉子振動信號說明

渦軸發(fā)動機轉子振動信號源自某所某型號軍用渦軸發(fā)動機，從保密性出發(fā)對真實采集振動信號進行分析，提取各個轉子轉速倍頻幅值，并構成倍頻幅值包絡線?；谠摪j線對渦軸發(fā)動機轉子振動信號進行還原。轉子振動信號采樣頻率為10 kHz、燃氣渦輪最大轉速為38 000 r/min、動力渦輪為26 000 r/min，振動信號采集整個模擬試車周期數(shù)據(jù)，單次模擬試車時間持續(xù)3 min，分別模擬轉子正常、碰摩時渦輪機匣測點的振動信號。模擬試車轉速變化曲線、模擬振動信號如圖4所示。為突出故障模擬仿真位置，在圖4中采用矩形線框標記，便于識別。

圖4 轉速曲線與振動信號

3.2 渦軸發(fā)動機轉子振動信號分析

渦軸發(fā)動機正常、碰摩振動信號頻譜分別如圖5、圖6所示?？梢钥闯觯恨D子發(fā)生碰摩時會在碰摩區(qū)域形成一條清晰的碰摩帶，由于碰摩故障的發(fā)生使得碰摩區(qū)域次諧波增多。圖7、圖8所示分別為正常、碰摩狀態(tài)下振動信號的各倍頻幅值變化。可以發(fā)現(xiàn)：隨著轉速的變化，振動信號各倍頻幅值也會發(fā)生明顯變化。

圖5 正常狀態(tài)下振動信號瀑布圖

圖6 碰摩狀態(tài)下振動信號瀑布圖

圖7 正常狀態(tài)下振動信號各倍頻幅值

如圖8所示，由碰摩故障導致的振動幅值變化相對較為明顯，尤其凸顯在轉子基頻幅值上。由于任何故障均會導致振動信號出現(xiàn)沖擊信號現(xiàn)象，并不能簡單根據(jù)振動突變就定義為碰摩。但碰摩會在振動信號碰摩處出現(xiàn)次諧波，如圖6所示，使得振動信號中的統(tǒng)計特征發(fā)生變化。因此，需要對文中所提出的監(jiān)測方案進行檢測。

圖8 碰摩狀態(tài)下振動信號各倍頻幅值

3.3 渦軸發(fā)動機轉子碰摩振動信號分析

基于本文作者提出的轉子碰摩監(jiān)測方案，計算正常、碰摩故障振動信號的脈沖、峭度、裕度、總量指標，結果分別如圖9、圖10所示。可以看出：兩種狀態(tài)下的統(tǒng)計特征參數(shù)變化差距較小，除了碰摩故障發(fā)生位置，尤其是總量對碰摩故障異常明顯，其碰摩帶處參數(shù)值異常大，異于其他故障導致的沖擊信號(如單點故障導致的沖擊信號，不會出現(xiàn)碰摩故障帶導致的總量大幅度增加)。

圖9 正常狀態(tài)下統(tǒng)計特征參數(shù)

圖10 碰摩狀態(tài)下統(tǒng)計特征參數(shù)

根據(jù)方案可知，脈沖、峭度、裕度、總量指標均發(fā)生突變時，可認定為發(fā)生了碰摩故障。因此，采用三叉樹算法對振動信號特征特征進行檢測，其檢測結果如圖11所示。圖11中，由上及下分別羅列轉速曲線、指標參數(shù)變化，指標參數(shù)圖中給出指標參數(shù)曲線、指標參數(shù)光滑曲線(光滑曲線采用10個點移動平均，移動步長為1)、突變檢測曲線。在突變檢測曲線中，每一次駐點的出現(xiàn)均表示發(fā)生一次突變。由圖11中虛豎線可以看出(結合轉速)，轉子轉速由一個穩(wěn)態(tài)過渡到另個穩(wěn)態(tài)，會導致振動信號發(fā)生變化，檢測算法會將它檢測為一次振動突變信號，因此在檢測過程中需要根據(jù)提出的方案排除轉速變化對檢測帶來的影響。

圖11 振動信號碰摩故障檢測結果

為避免轉子轉速發(fā)生變化帶來的影響，可選擇碰摩發(fā)生段進行詳細分析，其檢測結果如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：檢測算法均能對突變故障段進行有效識別，而碰摩發(fā)生段恰好位于檢測算法波峰-波谷-波峰段(圖中橢圓部分)。這是由于碰摩發(fā)生前故障突變向上、碰摩故障消失時突變故障向下，而波峰段之間恰好為碰摩帶。但仔細觀察圖12左邊靠右的兩個橢圓部分，碰摩段僅位于波谷-波峰段，并不如前描述，仔細觀察特征參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，這是由于后半段碰摩發(fā)生相對平穩(wěn)，其突變現(xiàn)象并不明顯。對于總量指標的檢測，由于碰摩故障導致的突變異常明顯，導致統(tǒng)計量值增大，使得突變檢測曲線不會出現(xiàn)如其他指標檢測相似的現(xiàn)象。但從整體而言，文中提出的方法能夠有效檢測出轉子碰摩故障。

圖12 振動信號碰摩段故障檢測結果

4 結論

針對渦軸發(fā)動機轉子工作狀況較為復雜，容易在轉子加速過程中導致碰摩故障的發(fā)生，從而引起部分振動統(tǒng)計指標發(fā)生變化，提出轉子局部碰摩故障檢測方法。

由于故障的產(chǎn)生容易導致振動信號出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，針對碰摩故障引起的統(tǒng)計指標出現(xiàn)突變現(xiàn)象引入三叉樹檢測算法實現(xiàn)故障甄別。算法研究基于某渦軸發(fā)動機轉子振動倍頻幅值包絡線、試車轉速曲線，通過分別仿真渦輪機匣測點發(fā)生局部碰摩故障與正常工作狀態(tài)的方式獲取振動信號。

對振動信號進行分析，結果表明：轉子由當前穩(wěn)態(tài)過渡到下一個穩(wěn)態(tài)，轉子振動信號會發(fā)生明顯變化；故障特征易發(fā)于轉子基頻，振動信號的部分統(tǒng)計特征容易凸顯出故障信息，如碰摩發(fā)生時，其總量變化較為明顯；使用文中提出的局部碰摩故障檢測方法，能夠較好地識別出故障的發(fā)生。