基于信號時頻特征的直升機傳動軸異常振動監測方法

劉忠超,程 承,殷 鵬

(1.中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001;2.陸裝駐景德鎮地區軍代室,江西 景德鎮 3330002)

0 引言

振動信號監測是直升機振動監測系統、HUMS系統的基本功能。一般在機體特定位置布置振動傳感器測量振動信號,從振動信號中提取峰-峰值、頻率峰值等特征參數,建立振動特征與故障模式之間的模型,達到故障監測的目標。

英國民用航空局頒布的直升機振動健康監測指南(CAP 753)給出了通用的直升機振動監測參數,詳細要求如表1所列。

表1 CAP753振動監測參數

表1所述方法基本涵蓋了直升機的振動源,可以滿足一般的振動監測需求。但是依賴已有知識庫且缺少實時告警策略的特點,決定了其對于未知振源或機理的異常振動缺乏識別和預警能力。

現有直升機振動監測研究多集中于已知故障類型的信號特征提取算法,但對工程領域未知振源的振動監測方法研究相對較少。李輝[1]基于EMD和功率譜方法,在功率譜中成功提取了齒輪嚙合頻率的邊頻帶頻率,準確識別出輸出軸齒輪存在損傷。康麗霞[2]對花鍵連接的超臨界軸穩定性進行了理論分析和試驗研究,給出了臨界轉速頻率的振動位移作為傳動軸失穩與否的特征。吳飛、丁軍等[3]基于VMD和PSO-SVM方法針對汽車傳動軸系的不平衡、不對中和松動故障,進行了故障模擬和振動信號特征識別。Paula J.Dempsey[4]在直升機傳動系統齒輪健康診斷方法綜述中提出了振動數據特征提取算法和閾值設計原則,對工程應用提供了有益的指導。但上述研究均限于識別已知的傳動軸故障,不能有效識別突發的未知振動故障。

本文針對現有振動監測方法的不足,以直升機尾傳動軸失效故障數據為研究對象,通過數據分析總結得出故障特征,提出了基于振動、飛參數據,綜合頻譜特性檢查、伯德圖、軸心軌跡分析[5]的振動監測方法,達到監測尾傳動軸失效故障的目標。

本文所述方法可以有效預警直升機傳動軸的異常自激振動,提升飛行安全性,并可為其他未知振源的直升機故障振動監測提供技術支撐。

1 直升機尾傳動軸失效故障介紹

直升機運轉過程中尾傳動軸出現異常振動,導致尾傳動軸損傷,損傷位置如圖1所示。

圖1 尾傳動軸損傷示意圖

直升機尾傳動軸由短軸、長軸和膜片聯軸節組成,其中傳動軸均設計為超臨界軸。機載系統記錄了飛參信號和機體振動信號,振動數據采樣率為1024 Hz,飛參數據采樣率為16 Hz。機體振動測試點包括座艙地板、中減平臺和尾減速器殼體。中減平臺位置的傳感器距離尾傳短軸最近,振動數據最敏感,因此取該處數據進行分析。

2 直升機尾傳動軸故障振動特征分析

2.1 頻譜特性檢查

直升機地面慢車和空中狀態旋翼轉速不同,對應的傳動軸工作轉速基頻也不同。選取地面開車和空中飛行的狀態,提取傳動軸正常與失效架次的振動數據進行頻譜分析,檢查頻譜曲線有無異常頻率。頻率分辨率為0.125 Hz,頻譜帶寬為200 Hz。頻譜曲線如圖2所示。

圖2 數據頻譜曲線對比

由圖2可知,尾傳動軸失效架次的頻譜與正常架次相比,出現了異常頻率46.13 Hz以及3倍頻138.4 Hz,且該值恒定,不隨旋翼轉速增加而變化。地面慢車時,異常頻率振幅峰值最高,達到1.387g。空中狀態時,異常頻率振幅約0.603g,有所減小。

2.2 時頻特性分析

尾傳動軸失效架次的中減平臺振動數據的伯德圖見圖3。幅頻曲線表明,尾傳短軸的側向一階臨界轉速頻率在46.44 Hz附近;垂向一階臨界轉速頻率在50.02 Hz附近。尾傳短軸垂向幅頻曲線的46 Hz峰值是側向臨界轉速頻率耦合造成的。尾傳短軸側向一階臨界轉速頻率與頻譜分析的異常頻率46.13 Hz十分接近。同時,設計資料表明尾傳短軸的一階臨界轉速頻率約為50 Hz,進一步驗證了異常頻率是尾傳短軸的臨界轉速頻率。

圖3 伯德圖幅頻曲線

尾傳短軸一階臨界轉速頻率在中減平臺處的振動幅值隨時間變化曲線如圖4所示。由圖可知,隨著旋翼轉速提升,當尾傳動軸轉速通過尾傳短軸的一階臨界轉速頻率時,該頻率振動突然出現,且振幅達到1.4g。激勵頻率通過共振區間后,該頻率振動仍然保持,振幅穩定在0.8g左右;持續至7000 s時,振幅開始逐步放大,并持續約1700 s;最后該頻率振幅突然從2.4g減小到0.01g。

圖4 尾傳短軸臨界轉速頻率時間-幅值圖

2.3 傳動軸軸心軌跡

中減平臺的振動傳感器垂向和側向安裝剛度量級相當,可使用該處振動加速度模擬傳動軸的軸心軌跡。圖5給出了尾傳短軸臨界轉速頻率在中減平臺處的軸心軌跡。由圖可知,尾傳短軸失效架次,自激振動頻率的軸心軌跡在早期呈現橢圓形狀,側向振幅大,垂向振幅小,橢圓長半徑值與振動數據側向振幅相同;后期軸心軌跡紊亂,呈現交叉形狀,側向振幅明顯大于垂向振幅,側向和垂向振動存在反相特征。

軸心軌跡側向明顯大于垂向的原因推測如下:一是尾傳短軸側向一階臨界轉速頻率小于垂向頻率,兩者相差約3 Hz。該特性使得自激振動以尾傳短軸側向和垂向一階臨界轉速頻率中較低的一個體現出來。二是未知原因造成尾傳短軸側向一階臨界轉速頻率運動更容易失穩,而垂向一階臨界轉速頻率運動不易被激發,穩定性更好。

2.4 趨勢分析

針對尾傳短軸一階臨界轉速頻率的異常振動,選取傳動軸失效前共4個架次的數據,在相同直升機運轉狀態下,檢查該頻率振幅和軸心軌跡的變化趨勢。振幅變化如表2所示。軸心軌跡變化如圖6所示。由圖6和表2分析可知,尾傳短軸自激振動的發展趨勢如下:

圖6 軸心軌跡隨架次變化趨勢

表2 尾傳短軸一階臨界轉速頻率振幅

1) 46 Hz側向振幅逐步增加,最后穩定在0.7g～0.8g。垂向振幅除了D架次明顯放大外,其他架次均小于0.1g。

2) 加速度軸心軌跡橢圓特征逐步明顯,且橢圓長半徑逐步增加,橢圓短半徑在D-3、D-2和D-5較大,但是D-1長度較小。

3) 結合2.3節圖5可知,尾傳短軸自激振動發生、穩定、失穩損傷的歷程期間,軸心軌跡也經歷了不規則橢圓、橢圓、紊亂的過程。尾傳短軸軸心保持規則橢圓時,應進行傳動軸檢查;軸心由規則橢圓過渡到紊亂時,須禁止傳動軸運轉。

3 傳動軸異常振動監測方法

綜合上述尾傳短軸失效數據分析,本文提出未知振源的傳動軸振動監測方法如下:

1) 通過振動數據分析,定位異常頻率值;

2) 繪制異常頻率振動的時間-振幅歷程;

3) 通過振動特征分析,查閱相關設計資料,確定異常頻率振動的來源;

4) 提取異常頻率振動的特征發展趨勢,如本文所述的時間-振幅曲線、軸心軌跡等;

5) 結合異常頻率振動的發展階段,確定合理的振動超限閾值,在結構產生損傷前及時告警。

4 數據驗證

選取相同機型的兩架直升機數據檢驗本文所述方法的可行性。為描述方便,兩架機分別編號為001、002。尾傳短軸的狀態為:001架機地面開車出現自激振動,飛行時自激振動持續,振幅維持在0.2g～0.33g。002架機運轉正常,未出現自激振動。由伯德圖曲線得出尾傳短軸一階臨界轉速頻率如表3所示。尾傳短軸一階臨界轉速頻率對應的時間-幅值曲線如圖7所示。尾傳短軸一階臨界轉速頻率對應的軸心軌跡如圖8所示。

圖7 尾傳短軸一階臨界轉速頻率時間-幅值曲線

圖8 001和002號機的軸心軌跡圖

表3 尾傳短軸一階臨界轉速頻率

由振動特征分析結果可知:

1) 兩架機尾傳短軸側向一階臨界轉速頻率均略高于垂向一階臨界轉速頻率。

2) 圖7表明通過臨界轉速時,001號機尾傳短軸振動被激勵起來并保持穩定,并沒有隨著軸轉速升高而降低;002號機尾傳短軸振動被激勵起來后,馬上隨著軸轉速升高而降低,振幅不能保持。

3) 圖8表明001號機軸心軌跡地面慢車近似為橢圓,飛行狀態無規律。002號機軸心軌跡紊亂。其原因是側向和垂向的振幅值均很小,屬于隨機振動。因此,軸心軌跡僅能用于異常頻率振動出現后的趨勢跟蹤。

4) 由上述分析可知,002號機尾傳短軸未出現自激振動現象。001號機尾傳短軸出現了持續的自激振動。地面慢車狀態軸心軌跡呈橢圓形,但不穩定。飛行狀態垂向振幅較小,相位與側向相位不同步,表明001號機處于自激振動的早期階段。

5 結論

本文基于典型的直升機傳動軸失效故障數據,提出了一種傳動軸異常頻率振動的監測方法,并使用試飛數據進行了驗證。本文提出的方法可以:

1)有效識別直升機傳動軸的自激振動頻率。

2)有效揭示傳動軸自激振動劇烈程度的發展趨勢,明確自激振動的主要表現形式。對于本文分析的失效架次振動而言,尾傳短軸一階臨界轉速頻率的側向運動是其能量耗散的主要形式,垂向運動是由側向運動引起的。自激振動發生時,尾傳短軸的垂向運動穩定性較好,振幅不易變大或發散。

3)本文所述方法不限于傳動軸的振動監測,對于其他旋轉機械的未知振源異常振動監測也具有借鑒意義。