基于頻譜分析的通風扇故障診斷方法研究

摘" 要：空中客車公司A320FAM飛機電子艙通風扇故障是該機型的一個典型常見故障，該故障容易導致航班延誤，甚至飛機返航、緊急備降的事件發生。在研究通風扇結構基礎上，給出了一種基于振動信號頻譜分析的方法，經過仿真分析，該方法可用于診斷電子艙通風扇的早期故障。

關鍵詞：電子艙；通風扇；滾動軸承；頻譜分析；故障診斷

中圖分類號：V245.341" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0135-05

Abstract： The failure of the avionics bay fan of the Airbus A320FAM aircraft is a typical common fault of this aircraft， which can easily lead to flight delay， even aircraft return and emergency landing. Based on the study of the structure of ventilation fan， a method based on spectrum analysis of vibration signal is presented. Through the simulation analysis， it is proved that the method can be used to diagnose the early fault of the avionics ventilation fan.

Keywords： avionics bay; ventilation fan; rolling bearing; spectrum analysis; fault diagnosis

A320飛機電子艙通風系統用于給飛機電子設備進行通風冷卻，主要冷卻的設備包括電子艙主設備架、駕駛艙儀表、駕駛艙控制面板和中央操縱臺等。電子艙通風系統主要由電子艙通風計算機（AEVC）、電子艙通風扇、蒙皮活門、蒙皮熱交換器、熱交換器隔離活門、熱交換器旁通活門、溫度和壓力傳感器及氣濾等部件組成。

電子艙通風系統是由電子艙通風計算機（AEVC）進行自動控制的，有3種工作狀態，分別是開環狀態、閉環狀態和半開環狀態，AEVC會根據飛機空地狀態、環境溫度決定系統的工作狀態[1]。

無論電子艙通風系統工作在3種狀態中的哪一種狀態，電子艙通風系統中的鼓風扇和抽風扇都始終工作在高速旋轉的狀態，這2個風扇為電子艙通風管路提供穩定的空氣流量，保證通風系統的正常運轉。

1" 背景分析

通過查詢某公司A320機隊2017—2022年的維修記錄，見表1，篩選出了電子艙通風系統相關故障更換記錄共計1 132條，其中有493條記錄都是更換電子艙通風扇，占比高達到43.6%，可以看出電子艙通風扇的故障率偏高。

電子艙通風扇有鼓風扇和抽風扇，件號都是相同的。根據最低設備清單（MEL），電子艙通風扇故障是允許保留其中一個的，即鼓風扇或抽風扇可以有一個不工作。但如果處于上游的鼓風扇故障且不轉動時，將在整個通風管道中產生堵塞影響，容易引起下游的供氣量不足，導致抽風扇也發生故障。

因此當鼓風扇故障時，應將鼓風扇與抽風扇進行對調，保留抽風扇，這樣可以保證一定的供氣量，防止2個風扇同時故障，導致航班延誤或飛機停場排故（AOG）。

電子艙通風扇故障時很容易造成不正常事件。當風扇葉片斷裂或軸承磨損時，風扇高速旋轉容易產生異響。當風扇卡阻時，容易導致駕駛艙異味，嚴重時會出現煙霧或者火花，從而導致飛機返航、緊急備降的事件發生。

2" 不正常事件

事件一：2019年12月，某飛機在空中巡航時，突然出現駕駛艙異味，機組選擇備降。檢查發現電子艙通風鼓風扇有磨損痕跡。更換鼓風扇后，測試正常。

事件二：2020年1月，某飛機滑出后觸發VENT BLOWER FAN FAULT警告，駕駛艙有異味，飛機滑回。檢查發現為鼓風扇故障，對倒鼓風扇和抽風扇后，保留抽風扇放行飛機。飛機回基地后，將故障的風扇拆下更換。調查發現故障的風扇裝機于2017年，裝機時間為7 738飛行小時，該風扇于2019年11月底完成風扇振動值檢查，檢查正常。

事件三：2022年11月，某飛機在國內某機場短停，在所有旅客登機，關閉客艙門后，觸發VENT BLOWER FAULT警告，測試有鼓風扇故障信息。由于缺少拆裝風扇所需封圈，緊急從當地求援封圈后，對倒鼓風扇和抽風扇，按最低設備清單（MEL）放行飛機。航班最終延誤192 min。

查詢某公司2015年至2022年這8年A320機隊的不正常事件記錄，共計有388條是空調系統故障導致的不正常事件記錄，其中有194條記錄是電子艙通風系統故障。這194起不正常事件中有106起是電子艙通風的鼓風扇或者抽風扇造成的，在電子艙通風系統故障不正常事件中占比高達54.64%。對電子艙通風扇故障造成的延誤數據進行統計，得到平均延誤時間為123 min。在這106起因為電子艙通風扇故障造成的不正常事件中，有23起事件出現了異味、煙霧或火光，其中有1起事件出現了電子艙煙霧警告。

通過查看歷史故障記錄，發現當電子艙通風扇出現早期缺陷時，故障現象并不明顯，通風扇可以正常工作；當通風扇缺陷逐漸惡化時，通風扇會突然失效，造成航班不正常事件的發生。因此提高電子艙通風扇的可靠性，對通風扇的故障診斷方法進行研究，對具有潛在故障的通風扇進行預防性維修，顯得極為重要。

3" 可靠性調查

根據空中客車公司（簡稱空客）的調查，電子艙通風扇故障的主要原因是前后滾動軸承滾珠問題。根據調查也有一些風扇失效是由于返修質量問題導致的。另外也有部分原因是潤滑油脂、風扇污染和飛機振動等，但是這些原因的影響較少。

空客后續推出了改進型的通風扇，件號為EVT3454HC，該通風扇軸承采用了一種新的陶瓷工藝，用于提高風扇的使用壽命，目前東方航空技術有限公司四川分公司（以下簡稱我司）主要使用該件號的電子艙通風扇。

通過查詢EVT3454HC通風扇的裝機履歷，調查了65次該件號風扇的裝機記錄，得到裝機飛行小時數統計結果如圖1所示，可以看出該風扇在2 000飛行小時后開始顯著地出現故障，并且在之后的各個時間段都有可能發生故障。裝機飛行小時大于1萬飛行小時的風扇裝機次數占比僅為27.7%。

空客于2019年推出了件號為AE1819B00的新風扇用于提高可靠性，該件號的風扇除了滾珠軸承使用了新的材料，還引入了滾珠軸承健康監控（BBHM）功能。需要知道的是，BBHM是通風扇的一個獨立功能，與電子艙通風計算機（AEVC）或飛行警告計算機（FWC）沒有數據交互。BBHM有2個故障指示燈：琥珀色燈亮表示風扇有瞬時故障，此時是可以通過重置按鈕熄滅指示燈的，且不需要參考MEL項目；紅燈亮表示風扇已經損壞，此時必須排故或參考MEL辦理保留。因此只需要定期查看這種風扇的指示燈，當檢查發現有琥珀色指示燈亮時，可以在風扇完全故障前選擇合適的維修機會更換風扇，從而避免飛機在航班運行過程中出現電子艙通風扇的相關故障[2]。

由于目前我司A320機隊主要裝機的電子艙通風扇件號都為EVT3454HC，通過前面的數據分析發現，該風扇可靠性沒有得到有效的改善，因此接下來，需要討論的是如何有效地監控該通風扇的健康狀況。

4" 滾動軸承故障形式

由于A320飛機上電子艙通風扇滾珠軸承容易磨損，且風扇內部容易積累灰塵等污染物，造成通風扇在運轉過程中會出現多種故障形式，常見的故障有：風扇異響、風扇超溫、風扇異味冒煙、風扇葉片卡阻和風扇葉片斷裂等。這些故障都是電子艙通風扇發生嚴重故障后的表現形式，風扇早期的故障是很難通過目視檢查發現的。

通常，滾動軸承有4種典型的故障狀態，分別為內圈故障、外圈故障、滾動體故障和保持架故障，主要故障形式包括：軸承磨損、滾道表面疲勞脫皮、軸承零件腐蝕、軸承元件裂紋、裝配不當導致的劃痕和保持架損壞等等。

軸承故障的診斷方法有很多，通過軸承溫度測量、軸承間隙測量和軸承聲音等，可以判斷軸承是否發生故障。但是溫度和聲音發生明顯變化時，軸承已發生嚴重故障，而且電子艙背景噪聲大，通過聲音判斷軸承故障很容易因為噪聲造成診斷結果與實際情況不符。軸承間隙測量需要分解電子艙通風扇，因此需要更換風扇，送到附件修理車間完成，成本高且操作困難。

滾動軸承出現缺陷時，在運轉過程中隨著軸承的旋轉，每一次接觸缺陷時都會產生一次沖擊振動，振動情況具有一定的周期性。研究滾動軸承的振動參數可以表征出軸承的故障狀態，具有一定的優越性。

5" 振動參數的選取

使用振動測試儀，可以測量物體振動的位移、速度和加速度，接下來要分析的是如何選取振動參數。

假設有一個振動信號按正弦函數規律周期性變化，則該信號的振動公式有

y=A sin（2πft+θ），

v=■=2πfA sin（2πft+θ+■），

a=■=（2πf）2A sin（2πft+θ+π），

式中：y為振動位移；v為振動速度；a為振動加速度；A為振幅；f為振動頻率；θ為振動相位角；t為時間。

由公式可以看出振動信號的位移、速度和加速度的頻率是相同的。轉速恒定的滾動軸承，其旋轉頻率也是一定的，當軸承內部有缺陷時，振動也會周期性地出現，因此分析振動信號的頻率是很有價值的。

振動速度和振動加速度的幅值是振動位移和振動頻率的乘積，受到振動頻率和振動位移幅值的影響?？梢钥闯稣駝铀俣群驼駝蛹铀俣饶軌驅⒄駝拥姆捣糯螅l率越高放大效果越明顯。

通常，振動位移一般用于低頻（小于10 Hz）振動分析，振動速度用于中頻（10～1 000 Hz）振動分析，振動加速度用于高頻（大于1 000 Hz）振動分析。

6" 滾動軸承故障頻率

滾動軸承的振動信號是復雜的，有高頻振動和低頻振動。高頻振動為零部件振動激勵產生的固有振動，低頻振動為軸承缺陷引起的，即為故障頻率。振動的特征頻率可以由下列公式求得。

內圈旋轉頻率為

fi=■。

軸承外圈固定不旋轉時fo=0，滾動軸承頻率計算公式如下。

內外圈相對旋轉頻率為

fr=fi-fo=fi。

保持架故障頻率（FTF）為

FTF=■1-■fr=■1-■，

滾動體旋轉故障頻率（BSF）為

BSF=■1-■■fr=■1-■■，

外圈故障頻率（BPFO）為

BPFO=■1-■fr=■1-■，

內圈故障頻率（BPFI）為

BPFI=■1+■fr=■1+■，

式中：N為轉速，rpm；D為軸承的節圓直徑；d為滾珠直徑；α為接觸角；n為滾動體數目。

以斯凱孚（SKF）公司生產的型號為6203-2RSH深溝球軸承為例，在廠家網站可以查詢到該軸承的技術規格，見表2。

軸承轉速為1 797 rpm時，內圈旋轉頻率為29.95 Hz，代入公式可以計算出相關故障的特征頻率見表3。

7" 實驗數據頻譜分析

本文采用美國凱斯西儲大學軸承數據中心的風扇端加速度數據進行分析，該實驗數據采用的軸承為6203-2RSH，采樣率為12 000 Hz，分別選取了風扇端軸承正常數據，以及內圈、外圈和滾動體故障數據進行分析[3-7]。

如圖2（a）所示，為軸承不同狀態下的振動信號的時域波形，可以看到有故障的軸承振動波形存在不同程度的沖擊載荷。對于時域信號的分析可以選用的參數有峰峰值、有效值和均方值等，但是軸承轉速、沖擊載荷對這些參數影響很大。時域信號能反映振動信號的幅度大小和變化規律，能夠在軸承發生嚴重故障的時候，直觀地顯示出來，但是時域信號不能反映振動信號蘊藏的其他有用信息，對于軸承早期的故障診斷存在局限性。頻譜分析是機械故障探測中很重要的一種分析方法，通過傅里葉變換可以將時域信號轉換到頻域進行分析。當軸承故障時，隨著時間的推移，故障會逐漸惡化，會產生一些特征頻率信息，根據軸承的特征頻率可以判斷軸承是否存在故障。

如圖2（b）所示，通過傅里葉變換得到了正常軸承和有故障軸承的振動頻譜，通過對比，可以看到故障軸承頻譜中出現了大量的高頻振動。

由于滾動軸承故障缺陷產生的早期，振動不是那么明顯的，因此缺陷很可能被同頻的噪聲掩蓋，尤其是飛機的電子艙，設備多，噪聲大。所以通過運用傅里葉變換直接進行頻譜分析的方法，對于早期的軸承故障診斷也是存在困難的。

滾動軸承的振動信號包括：滾動體在負載區產生的諧振、損傷位置在軸承元件表面的周期性沖擊振動和環境噪聲等振動信息。故障軸承產生的故障特征信號是低頻信號，特征信號對軸承的高頻振動進行了調制。直接對調制后高頻振動信號進行傅里葉變換，很難區分出故障特征頻率。因為高頻固有振動信號的包絡信號才是低頻故障的特征信號，所以對振動信號進行解包絡，然后再進行傅里葉變換，才能得到低頻故障特征信號的真實頻譜。

采用希爾伯特（Hilbert）變換可以將實信號轉換為復信號，即為解析信號。假設振動信號用x（t）表示，用*表示卷積運算，則其希爾伯特變換有

■（t）=x（t）*■。

希爾伯特變換相當于一個正交濾波器，將輸入信號移相90°，對應的頻域變換為

■？圳j·sgn（ω）。

因此可以構造解析信號為

z（t）=x（t）+j■（t）=A（t）ejθ（t），

式中：A（t）為包絡信號，能夠發現包絡信號可以表達為

A（t）=■。

因此對振動信號進行希爾伯特變換，可以得到解析信號，此操作將振動信號從雙邊譜轉變成了單邊譜。然后對解析信號進行求絕對值，即可得到振動信號的包絡線，即實現了解包絡。最后再對求得的包絡信號進行快速傅里葉變換，可以得到包絡信號的頻譜，即滾動軸承故障的頻譜。

如圖3所示，對外圈故障滾動軸承振動加速度數據進行希爾伯特變換后，進行解包絡，得到其振動頻譜。

由圖3可以看到內圈自轉頻率為29.92 Hz，外圈故障頻率（BPFO）為147.7 Hz，理論計算的外圈故障頻率為148.16 Hz，得到的結果與理論計算結果吻合。還可以看到故障軸承產生了大量諧波，故障頻率及其邊頻帶呈現多個起伏的頻譜，類似“干草堆”一樣，同時內圈自轉頻率的幅度也明顯增大，說明該軸承內部出現了較為明顯的缺陷。

8" 結束語

A320飛機電子艙通風扇出現故障很容易造成不正常事件的發生。目前通用的管控方案是測量通風扇的振動值，振動速度和振動加速度大于一定值時就更換通風扇，或者在8 000或者10 000飛行小時后更換通風扇進廠修理。通過前面的數據分析可以看出通風扇在2 000飛行小時后就有可能出現故障，目前的管控方案下，仍然時有電子艙通風扇故障的情況發生。

使用頻譜分析的方法對軸承進行故障診斷是一種成熟的診斷方法，能夠在軸承尚未失效時，診斷出軸承內部的故障缺陷。通過測量電子艙通風扇的振動數據，然后結合振動數據的功率譜和解包絡信號頻譜分析，可以在電子艙通風扇發生嚴重故障前發現潛在的故障，從而對有缺陷的電子艙通風扇進行更換，減少因通風扇突發故障導致的航班不正常事件的發生。

參考文獻：

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