航空发动机整机振动故障诊断

1.航空发动机整机振动故障诊断1.1国内外现状1）国内航空发动机整机振动故障诊断技术研究现状国内具备发动机整机振动试验条件的单位只有发动机的设计单位和生产单位，例如沈阳航空发动机设计所和沈阳黎明公司，因此国内对此项研究的开展非常有限，成果很少。由于试验条件的限制，目前国内一些高校、研究所主要针对航空发动机工作过程中影响振动的关键部件开展研究工作。北京航空航天大学机械设计及自动化学院王春洁和曾福明根据保持器的运动特点，建立了冲击振动模型，分析影响振动的因素及其关系，研究保持架的轴向突然断裂和疲劳断裂机理，从而有针对性地解决了碰撞问题；目前，振动信号的盲源分离技术得到重视，取得了一些研究成果。西北工业大学旋转机械与风能装置测控研究所的宋晓萍和廖明夫利用盲源分离法对双转子航空发动机振动信号进行分离，对某型双转子航空发动机高压转子和低压转子所测得包含不同频率振动信号，运用FastICA算法进行了分离；西北工业大学电子信息学院马建仓、赵林和冯冰利用盲源分离技术对某型涡扇发动机振动偏大的现象进行了分析，采用FastICA和JADE算法对振动信号进行分析并且在一定条件下分离出了发动机的振源信号，为发动机的振动故障诊断技术提供了依据。中航工业航空发动机设计研究所已建成了转子振动故障再现试验器，能对发动机研制中出现的多种振动故障进行试验和信号分析，采用神经网络、小波分析技术等先进诊断技术，更加完善的故障诊断专家系统逐渐被建立起来；北京航空航天大学的洪杰、任泽刚把先进的信息处理方法和专家系统应用在航空发动机整机振动故障诊断中进行研究，中国民航大学的范作民、白杰等人把故障方程、人工神经网络等方法应用在民用航空发动机故障诊断技术中进行了研究。西北工业大学的张加圣等人开发了一套处理航空发动机振动信号以及状态监控的系统软件，具有各个过程参数的数据采集、处理计算及控制输出，监控数据的显示、存储、分析等功能。西北工业大学的杨小东等人研究某型航空发动机整机试车的故障特点，开发了某型航空发动机整机试车故障诊断与排除系统，该系统具有良好的用户交互界面，提供了系统用户管理、故障信息的智能汇总等功能。由于航空发动机的设计需要具备整机振动的实验条件，具备这样条件的沈阳航空发动机设计研究所的郑旭东等人应用整体传递矩阵法，根据某型号发动机的简化模型，对某型发动机转子—支承—机匣—安装节系统在与整机振动结果进行了对比分析的基础上进行了整机临界转速和应变能分布的计算；由于沈阳航空航天大学与沈阳航空发动机设计研究所及沈阳黎明公司合作便利，所以动力与能源学院的老师开展了一些整机振动方面的技术研究。其中，王克明针对某型航空涡扇发动机整机振动过大现象，对该发动机振动信号进行了时域、频域、三维图谱的分析，确定发动机的故障类型；沈阳航空航天大学的艾延廷和沙云东提出了基于BP神经网络的航空发动机整机振动故障诊断方法，利用ZT-3采集的航空发动机整机振动数据作为样本，建立了发动机故障诊断模型，实现了发动机故障模式分类；艾延廷运用模式识别的灰色关联度的方法，同时运用采集的某型航空发动机整机振动试验数据作为样本，建立了标准特征库，计算被评估发动机的状态参数序列与标准状态参数序列之间的灰色关联度，从而实现对航空发动机整机振动状态的评价。由于小波包和谐波小波都具有很好的时域和频域的分割能力，因而近年来有的学者将小波包和谐波小波应用到振动信号的分析中，进行谐波小波变换的过程中有自身的快速算法，克服了小波包的失真和信息丢失的缺点。因此，谐波小波有效地应用于振动信号的处理。李舜酩等运用谐波小波成功地对微弱振动信号实现了频域提取与时域重构，说明谐波小波方法在微弱信号的频域提取能力和精度上明显优于基于二进分解的小波方法和傅里叶分析方法，显示了谐波小波变换的频域保相特性；郑云飞等人根据实验得出小波对信号幅值的变化十分敏感，适合检测信号的奇异点，并且还利用广义的小波变换提取出振动信号的特征；唐玉志等对于将谐波小波的时频表示应用到噪声振动信号的时频表示；陈果将谐波小波应用到旋转机械转子的故障诊断中，成功地诊断出转子的四种旋转机械转子故障。一种改进的谐波小波及其在转子故障诊断中的应用诊断实例证明，该方法可有效用于航空发动机振动信号的故障诊断。2）国外航空发动机整机振动故障诊断技术研究现状国外能够独立设计和生产航空发动机的国家只有美国、英国、法国和俄罗斯等几个国家，但都将其视为国家机密，相应的技术研究文献很少。目前，关于航空发动机振动方面的研究技术只检索到英国曼彻斯特大学机械、航空宇航及土木工程分院的两篇文献。其中，PhilipBonello设计了整机的导纳谐波平衡方法，解决带有非线性齿轮的整机模型的稳态周期不平衡振动的频域计算问题。通过对仿真双转子发动机模型的验证，设计的方法功能强大、使用方便；PhamMinHai设计了整机的脉冲导纳方法，解决带有非线性齿轮的整机模型的稳态周期不平衡的时域计算问题。采用仿真的双转子发动机模型对设计方法进行了验证，比传统的隐式积分方法大约快40倍。解决整机振动故障时，俄罗斯主要利用振动的图谱数据，根据经验进行排振。1.2航空发动机整机振动测试及常见故障1）航空发动机整机振动测试参数根据发动机试验规范的要求，航空发动机整机振动测试的基本内容有：①发动机系统振动基本参数的测量。测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部结构上的振动位移、速度、加速度总量；在轴承的适当位置测量轴承载荷及转子振动加速度、速度、位移、以及频率、相位、外传力等参数。②发动机系统振动特征参数的测试。测量转子支承系统以及机匣等其他产生高频振动和应力的构件的固有频率，转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数和物理参数。目前，航空发动机转子系统的机械状态和故障主要是通过振动检测和信号分析技术进行识别的和发现的。振动测试系统主要由传感器、信号调节器（即二次仪表）、记录仪、分析仪及以计算机为中心的数据处理系统等部分组成。在实际应用中，应该根据具体对象、监测目的和监测要求选取合适的测量系统和处理方法来准确分析发动机的振动特性，有效的诊断和预测发动机整机振动故障。根据传感器的参数不同，可以使用光测法、电测法和机械法等实现振动信号测量，其中，航空发动机整机振动测试中广泛用电测法，主要测量参数为高、低转子和发动机5个截面位置处垂直和水平方向的6个振动速度信号和3个加速度信号。2）航空发动机整机振动常见故障整机振动主要由内部故障引起的，故障不同，振动特性也不同，因此可以根据不同的振动故障特征推测出故障原因，进而有针对性的对故障进行分析和排除。航空发动机整机振动故障诊断的关键在于找到发动机振动状态参数与振动故障特征参数之间的对应关系。航空发动机整机振动故障的诊断，应在获取发动机的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上，通过信号分析和数据处理提取发动机特有的故障征兆及故障敏感参数等，通过综合分析判断确定故障原因，做出符合实际的诊断结论。表1某型航空发动机典型振动故障类型转子不平衡故障转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障。发动机因转子不平衡引起的振动比较常见。引起转子不平衡的原因有：结构设计不合理；制造和装配误差；材质不均；受热不均；运行中转子的腐蚀、磨损、结垢；零部件的松动和脱落等。1)时域波形通常为正弦曲线，可以根据振幅的大小来判断不平衡是否己经引起了故障；2)当不平衡为主要故障时，轴承上水平方向与垂直方向振动相位差约为度；3)转速跟踪动态特征：转子启动时，振动幅值与质量中心离轴线的距离成正比，当转速低于转子第一阶临界转速运转时，振动幅值将随转速的平方成比例变化，临界转速时出现最大峰值，通过临界转速后，振幅逐渐减小而趋向于定值，即偏心值；4)轴心轨迹特征：质量不平衡振动响应通常是一定程度的捕圆轨迹。水平方向振动通常是垂直方向的倍至倍左右。当水平方向与垂直方向振动之比大于时，通常说明是其它故障，尤其是共振。转子不对中因转子与转子利用联轴器进行连接时安装不妥，或由于轴承中心线不对中，或者是由于转子轴的弯曲、转子与轴承的间隙以及承载后转子与轴承的变形往往会造成转子之间对中不好，从而产生振动，并导致机械故障。这也是航空发动机很常见的故障之一。轴系不对中有三种形式：平行不对中，此时转子轴心线径向平行位移。偏角不对中，此时两转子轴心线相互交叉，或称偏角位移。平行偏角综合不对中，此时两转子轴心线相互错位移。轴系不对中的主要特征为：1)振动信号的原始时间波形为畸变的正弦波。2)径向振动信号的频谱图中，以一倍频和二倍频分量为主，轴系不对中越严重，其二倍频分量所占的比例就越大，多数情况超过一倍频分量。3)轴向振动的频谱成分中以一倍频幅值较大。4)连轴器两侧的轴向振动基本上是180°反向的。5)典型的轴心轨迹正进动。6)振动对负荷的变化比较敏感，一般振动幅值随负荷的增加而升高。滚动轴承故障滚动轴承是航空发动机及其试验设备最常用的部件之一，它的运行情况直接影响到整机的功能。检测轴承故障的方法很多，如振动分析、噪声分析、温度检测法、油样分析等。滚动轴承的主要故障形式有：1)疲劳剥落滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面发生剥落坑，最后发展到大面积剥落，这种现象就叫做疲劳剥落。2)磨损由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更会加剧表面磨损。磨损使轴承的运转精度下降，同时也降低了机器的整体运行精度，振动及噪声随之增大。3)塑性变形在工作负荷过重的情况下，轴承受到过大的冲击载荷或静载荷，或者因为热变形引起额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转时产生剧烈的振动和噪声。4)腐蚀腐蚀也是滚动轴承的常见故障之一。当水分直接侵入轴承时就会引起轴承腐蚀。高精度的轴承往往由于表面腐蚀，丧失精度而不能继续工作。5)胶合所谓胶合是指一个表面上的金属粘附另一个表面上的现象。在润或不良，高速重载的情况下，由于摩擦发热，轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面烧伤及损坏。齿轮故障齿轮是航空减速器的主要传动部件，也是比较容易出故障的部件之一。航空发动机对齿轮传动的要求很高，既要求齿轮在高速、重载等恶劣条件下工作，有要求齿轮装置具有高平稳性、高可靠性和结构紧凑等良好的工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素也日益增多。齿轮由于制造误差、装配不当或在不适当条件（载荷、润滑等）下使用，会发生损伤，常见的损伤大约有四类：1)齿的断裂有疲劳断裂和过负荷断裂两种。最常见的是疲劳断裂，通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向齿端发展而致折断。过负荷断裂是由于机械系统速度的急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，是齿轮产生不正常的一段接触，载荷集中到齿面一端而引起的。2)齿的磨损由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、擦伤等均属磨损的情况。3)齿的疲劳由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限，表面层先是产生细微裂纹，然后是小块剥落，甚至严重时整个齿断裂。4)齿面塑性变形如压碎、皱纹等。共振共振现象，在航空发动机部件试验和整机试验中经常出现，它常常是由于转动轴、发动机外壳或附属结构如管道的固有频率，被转子基频（或基频的谐频）激励时产生的。有时也因为油膜轴承的刚性改变或齿轮传动的影响造成转动轴共振。航空发动机部件试验和整机试验中，不允许出现振动幅值较大的共振，否则会产生毁灭性的破坏。共振现象所引起的振动的主要特性是：(1)随着转速的增大或减小，振动幅值又十分明显的变化；(2)相位变化很大。摩擦碰摩摩擦碰摩故障在航空发动机及其部件试验过程中也时常出现，航空发动机旋转件转速很高，由于转子弯曲、转子不对中引起轴心变形，间隙不足和非旋转部件弯曲变形等原因引起转子与固定件接触碰摩而导致的异常震动时有发生。摩擦分全圆径环形摩擦和局部摩擦两种，摩擦碰摩故障的振动频率成分较为丰富，既有与转速频率相关的低频成分，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴随有异常噪声。摩擦