（机械工程专业论文）涡轮泵状态实时监控系统设计与验证.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文捅要涡轮泵是液体火箭发动机的重要组成部分，主要担负燃料的输送任务。由于工作于高温、高压、强腐蚀的环境中，涡轮泵工况复杂而恶劣，其故障往往具有突发性，一旦产生将迅速发展，造成极为严重的后果。因此涡轮泵实时状态监控系统的研制受到了广泛重视。对于液体火箭发动机的地面热试车试验，实时监控要求尽量全面地反映涡轮泵工作状态，国内已有的实时监控系统大都采用基于p c i 或p x i 的通用处理器方案，存在处理能力有限的不足。而对于箭载飞行监控，则要求系统轻型化、小型化，侧重利用较少信号对涡轮泵的关键故障进行检测，以提早发现故障，换取宝贵的应对时间。为此，本文采用基于d s p 专用处理器的方案，力图解决发动机地面试车试验多信号、大运算量的处理问题。同时针对涡轮泵特定故障的检测需求，引入基于随机共振的微弱信号提取方法，为涡轮泵箭载监控应用进行技术研究，主要内容包括：1 、对涡轮泵结构和工作特点进行分析，并对其故障特征进行选取，在此基础上提出基于d s p 的实时监控系统方案。2 、基于d s p 技术，根据系统方案对涡轮泵实时监控系统进行硬件设计。3 、结合涡轮泵故障特征，对涡轮泵实时故障检测算法进行研究。包括时域特征、频域特征、阶比特征检测算法，并根据d s p 的运算特点和实时要求，对算法进行改进，作为d s p 软件开发和算法嵌入的基础。4 、面向涡轮泵箭载监控的特定故障检测需求，引入随机共振检测方法，以解决特定故障检测中的微弱信号提取问题。通过构建d s p 实时监控原型系统，利用火箭发动机试车的涡轮泵历史振动数据进行了验证，结果表明该系统设计良好，工作稳定，具备涡轮泵状态的实时监控能力。同时，利用轴承故障数据对随机共振检测方法进行了检验，结果表明该方法能够提取特定的微弱故障信号，为涡轮泵箭载故障检测研究提供了新思路。关键词：涡轮泵；健康监控：实时检测；d s p ；随机共振第ij i (国防科学技术大学研究生院硕十学位论文a b s t r a c tt h et u r b o p u m pi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h el i q u i dr o c k e te n g i n e ，w h o s et a s ki sf u e lt r a n s p o r t i n g t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft u r b o p u m p si se x t r e m e l yc o m p l e xa n dh a r s hb e c a u s eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n ds t r o n gc o r r u p t i o n o n c ea r i s i n g , as u d d e nf a u l tm a yd e v e l o pr a p i d l yi n t oac a t a s t r o p h i ca c c i d e n t h e n c et h er e s e a r c ho fr e a lt i m eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mo ft u r b o p u m pi sb e i n gp a i daw i d ea t t e n t i o n f o rt h eg r o u n df i r i n gt e s to fl i q u i dr o c k e te n g i n e ，r e a lt i m em o n i t o r i n gi se x p e c t e dt or e f l e c tt h ec o n d i t o no ft u r b o p u m pa sc o m p r e h e n s i v e l ya sp o s s i b l e w h i l et h ee x i s t e ds y s t e m si no u rc o u n t r y , m o s to fw h i c ha r eb a s e do np c io rp x ia r c h i t e c t u r ea n dg e n e r a lp r o c e s s o r s ，a r eo fl i m i t e dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y o na n o t h e rh a n d , f o rt h ea p p l i c a t i o no fo n - b o a r dt u r b o p u m pm o n i t o r i n g ，al i g h ts y s t e mo fs m a l ls c a r ei sr e q u i r e d ,w h i c hm a yf o c u so nt h ed e t e c t i o no fs p e c i f i e dk e yf a u l tw i t ho n l yas m a l ln u m b e ro fs i g n a l s t h ef a u l t sa r ee x p e c t e dt ob ed e t e c t e da se a r l ya st h e yc a nf o rb u y i n gp r e c i o u st i m eo fr e a c t i o n f o rt h ea b o v er e a s o n s ，t h ed s pt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt u r b o p u m pm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ea p p l i c a t i o no fg r o u n df i r i n gt e s ti no r d e rt of u l f i l lt h es p e e dr e q u i r r n e n to fm a s ss i g n a lp r o c e s s i n g a n dt h es t o c h a s t i cr e s o n a n c em e t h o do fw e a ks i g n a ie x t r a c t i o ni sb r o u g h ti nf o rt h ed e t e c t i n go fs p e c i f i e dt u r b o p u m pf a u l t t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ：1 t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft u r b o p u m pa r ea n a l y s e da n df a u l tf e a t u r e sa r et h e ns e l e c t e d ，b a s e do nw h i c ht h es o l u t i o no fr e a lt i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nd s pi sp u tf o r w a r d 2 b a s e do nt h ed s pt e c h n o l o g y , t h eh a r d w a r eo fm o n i t o r i n gs y s t e ma r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es y s t e ms o l u t i o n 3 t h ef a u l td e t e c t i o na l g o r i t h m so ft u r b o p u m pi sr e s e a r c h e db a s e do nt h es e l e c t e df a u l tf e a t u r e s ，i n c l u d i n gt i m ed o m a i n , f r e q u e n c yd o m a i n ，a n do r d e rd o m a i na l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fd s pa n dr e a lt i m ep r o c e s s i n g ，i m p r o v e m e n t sa r ed o n ef o rt h e s ea l g o r i t h m s ，w h i c hs e tt h ef o u n d a m e n to fd s ps o f t w a r ep r o g r a m i n ga n da r g o r i t h me m b e d i n g 4 f o rt h es p e c i f i e df a u l td e t e c t i o no fo n - b o a r dt u r b o p u m pm o n i t o r i n g ，t h es t o c h a s t i cr e s o n a n c em e t h o di si n t r o d u c e di no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fw e a ks i g n a le x t r a c t i o n w i t has y s t e mp r o t o t y p e ，t h eb a s i cf u n c t i o no ft u r b o p u m pm o n i t o r i n gs y s t e mi st e s t e du s i n gt h eh i s t o r yd a t ao fg r o u n df i r i n gt e s t s t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h eh a r d w a r ei sw e l ld e s i g n e da n dt h es y s t e mi sc a p a b l eo fe x t r a c t i n gf a u l tf e a t u r e s i na d d i t i o n ，t h es t o c h a s t i cr e s o n a n c em e t h o di st e s t e du s i n gt h ed a t ao ff a u l tb e a r i n g ，t h er e s u l to fw h i c hs h o w st h a tt h i sm e t h o di sc a p a b i l i t yo fe x t r a c t i n gs p e c i f i e dw e a ks i g n a la n dp r o v i d e san e ww a yf o rf a u l td e t e c t i o no fo n b o a r dt u r b o p u m pm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：t u r b o p u m p ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，r e a lt i m ed e t c t i o n ，d s p ，s t o c h a s t i cr e s o n a n c ei i第页一国防科学技术人学研究生院硕十学位论文表目录表2 1 常用测控体系性能比较1 3表2 2 系统设计要求。l6表5 1 涡轮泵转子轴承特征频率4 3第1 v 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文图目录图1 1s s m e 的改进及先进健康管理系统的使用对航天运载器升空损失的影响l图1 2 发动机各组( 元) 件故障次数统计图3图1 3 涡轮泵故障检测系统的总体框架结构。5图1 4 涡轮泵实时故障检测与数据记录的硬件组成框架。5图2 1 涡轮泵功能分解图。9图2 2 基于p x i 技术的硬件监控系统方案1 4图2 3 基于d s p 的监控系统结构图1 5图2 4d s p 系统硬件结构图17图2 5d s p 软件方案1 8图2 6 检测算法方案图。1 9图3 1 电源电路结构图2 0图3 2 数据采集电路结构图2 l图3 3 数据回放电路原理图。2 2图3 4d s p 电路结构图2 3图3 5c p l d 连接图2 4图3 6c p l d 内部逻辑功能图2 5图3 7u s b 电路结构图2 6图4 1 滑动样本算法原理图2 9图4 2 自适应阈值算法流程。3 2图4 3 样本重叠平滑原理图3 5图4 4 涡轮泵转速信号波形图3 5图4 5 重采样流程图3 7图4 6 重采样流程3 9图4 7 阶比特征检测算法流程4 0图5 1 涡轮泵故障模式的统计图4 l图5 2 滚动轴承结构示意图4 2图5 3 随机共振信号流程图4 5图5 4 随机共振电路结构图4 5图5 5 随机共振检测方法流程4 6图6 1 电源电路实物图4 7图6 2 数据采集电路实物图4 8第v 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文图6 3 数据回放电路实物图4 8图6 4 运算控制电路实物图4 9图6 5u s b 电路实物图4 9图6 6 随机共振电路实物图5 0图6 7d s p 总体电路实物图。5 0图6 8d s p 系统机箱与安装- - 5 1图6 9 前面板实物图5 l图6 10 后面板实物图5l图6 1 l 监控软件界面图。5 2图6 1 2 监控软件运行流程图5 3图6 1 3 涡轮泵状态监控原型系统5 3图6 1 4 监控软件运行图5 4图6 1 5 涡轮泵转速测量5 4图6 1 6 涡轮泵正常信号均方根特征监测5 5图6 1 7 涡轮泵正常信号裕度特征监测( 径向振动) 5 5图6 1 8 涡轮泵正常信号峭度特征监测( 径向振动) 5 6图6 1 9 涡轮泵故障信号均方根特征监测5 6图6 2 0 涡轮泵故障信号裕度特征监测5 7图6 2 1 涡轮泵故障信号峭度特征监测5 7图6 2 2 时域特征监测报警5 8图6 2 3 涡轮泵信号频域分析5 8图6 2 4 故障信号的输入波形及频谱6 0图6 2 5 故障信号的输出波形及频谱。6 0图6 2 6 正常信号的输出波形及频谱6 0第v i 贝独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：亟捡丞挞奎塞鲢些撞蠢统遮盐量验运学位论文作者签名：查主丛日期：扣。p 年j1 月2 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阏和借阅：可以将学位论文的全部或部分内客编入有关数据库进行检索可以采用影印，缩印或扫描等复铜手段保存、汇编学位论文( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：遇控丞挂查塞盟鉴控基统遮让盏验运一学位论文作者签名：逢丛日期：2 u 口2 年1 月口日作者指导教师签名：j 灶日期：2 卯8 年，月7 日国防科学技术大学研究生院硕十学位论文第一章绪论1 1 课题概述1 1 1 课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目“高速涡轮泵健康监控系统中基于多信息源的故障预测理论与方法研究 ( 资助号：5 0 6 7 5 2 1 9 ) 以及国家8 6 3 项目。可重复使用液体火箭发动机健康监控与故障诊断技术研究 。1 1 2 课题背景及意义航天和太空开发对人类探索科学的意义重大，同时还对一个国家的政治、经济、文化、教育等诸多方面产生深远的影响，中、美、俄、欧洲、日本等主要国家和地区都在争相发展航天技术。另一方面，太空探索事业的发展并不是一帆风顺，而是面临着巨大的风险和挑战。据统计，在1 9 8 0 年1 月1 日到2 0 0 3 年2 月1 日期间，航天任务共发生箭毁星亡的灾难性事故3 6 起，其中美国1 4 起、俄罗斯1 l 起、欧空局5 起、中国和巴西各2 起、日本和乌克兰各l 起【l 羽。由于航天系统结构复杂、高新技术密集、任务重大，事故一旦发生，所造成的损失和影响是难以估计的。航天发动机在航天运载器中占有较高的故障概率，1 9 9 0 - 2 0 0 2 年世界各国航天发射故障中，总共发生5 4 起航天运载器故障，其中由发动机引起的为2 6 起，占故障总数的4 8 1 3 。因此在航天技术不断发展的同时，源于可靠性和安全性考虑，航天发动机的健康监控问题越来越受到重视【2 1 。美国国家航空航天局马歇尔飞行中心和波音一加州诺加帕克公司专门针对b l o c ki i 型航天飞机主发动机( s s m e ) 开发了先进健康管理系统，有关的调查研究表明，与航天飞机发动机自身的改进相比，发动机健康监控系统的应用能够更为显著地降低航天运载器的升空损失概率【4 5 1 ，如图1 1 所示。皇罐水辑 h索貉鄢捌吣接abcdb l o c kb l o c kb l o c kb l o c k 型l 型i i a 型型+ a h m s航天飞机上发动机( s s m e ) 型号图1 1s s m e 的改进及先进健康管理系统的使用对航天运载器升空损失的影响第1 贝国防科学技术大学研究生院硕十学f ) = 论文液体火箭发动机是航天发动机的主要类型，涡轮泵是其中用于输送推进剂的重要组件。在所有类型的动力旋转机械中，液体火箭发动机涡轮泵的功率密度是最高的，而且随着火箭发动机技术的发展，它的功率密度还在不断提高。功率密度高意味着涡轮泵零部件所承受的载荷大，同时由于涡轮泵工作于高温、高压、强腐蚀的极端条件之下，与发动机的其它部分相比，涡轮泵具有更高的故障概率。更为严重的是，涡轮泵故障的发展非常迅速，一旦故障出现，若不及时处理，将快速蔓延至整个发动机乃至航天运载器，轻则造成箭毁星亡和航天任务的失败，重则导致人员伤亡，造成重大损失。因此，涡轮泵的健康监控技术显得尤为重要。引起涡轮泵发生故障的一个主要原因是其自身的振动f 6 j 。液体火箭发动机在飞行使用之前，一般需要通过地面试验，分析涡轮泵和其它部件的振动信号数据，以评估发动机的性能与状况【7 1 。这些振动信号数据提供了诸如转子质量不平衡、转子动静件碰摩、叶冠或叶片脱落以及轴承磨损与断裂等现象的故障特征，通过分析即可获知涡轮的健康状况。发动机校准试车是发动机地面试验的一种，是对准备交付装箭使用的发动机，以检查、调整性能参数为目的，在额定工况下进行的一种短程地面热试车。这种试车对于高性能的氢氧发动机，特别是多级火箭的上面级发动机，提高性能参数的准确度具有重要意义由于涡轮泵无法通过发动机试车后返厂检查来确定其健康状况【7 】，因此开展涡轮泵状态监控，特别是实时监控系统的研究，不仅可以及时地检测涡轮泵乃至发动机其它部件的故障，提高发动机的可靠性，减小故障损失，而且可以为发动机的不分解交付提供可靠的依据，具有重要意义。国内已有的涡轮泵状态实时监控系统大都基于p c i 或p x i 技术，采用通用处理器，主要针对发动机地面热试车试验。由于希望得到尽可能详细的涡轮泵状态信息，地面试验往往需要使用多种方法对多路振动信号进行分析，实时处理工作量非常大，现有的实时监控系统存在处理能力不足，扩充困难的问题，使得实时算法的运行受到了限制。因此，迫切需要寻找具有更高性能的系统解决方案。对于箭载使用的涡轮泵，其故障概率比地面试车要低，由于体积和重量的限制，相应的箭载监控系统要求小型化和轻型化，所能使用的监控信号比地面试车少。此时可以针对涡轮泵的特定故障，如轴承损坏、叶片断裂等进行专门的监控，及早发现故障症状，换取宝贵的应对时间。因此，需要对涡轮泵特定故障的检测方法进行研究。1 2 国内外研究现状1 9 8 7 年，美国分析了s s m e7 0 年代以来的故障履历，公布了s s m e 故障模式与影响分析及危害度项目表( f m e a c i l ) 【引。从出现过的故障模式中，按一组经验准则，划分故笫2 负国防科学技术大学研究生院硕十学位论文障等级，确定最关键的故障。按故障模式、影响分析及危害度，确定了s s m e1 4 种最关键的故障，覆盖了5 类发生次数较多的故障模式，即高压氧化剂涡轮泵轴承损坏、高压氧化剂涡轮泵密封泄漏、燃烧室喷注器损坏、高压燃料涡轮叶片损坏和高压燃料涡轮泵密封泄漏。文献【l o 】利用故障模式、影响与危害度分析( f m e c a ) 方法对s s m e 等发动机出现的故障进行分类排队，得出了1 7 种故障模式，研究发现高压燃料涡轮泵和高压氧化剂涡轮泵的故障占有较高的比例。国内也对y f 2 0 b 和y f 7 5 等液体火箭发动机的故障模式展开了一定的研究，主要包括故障模式的统计分析与仿真分析。文献【l1 1 对我国2 1 种泵压式液体火箭发动机( 如y f - 7 5 ，y f 2 1 等) 涡轮泵系统和推力室系统的故障进行了统计分析，结果如图1 2 所示。由图可见，涡轮泵故障在发动机故障中占有很大的比例。由于在液体火箭发动机的各组成部分中，涡轮泵是一个故障概率较高的部件，因此无论是在国内或是国外，涡轮泵监控都是液体火箭发动机健康监控的研究重点之一。bt guetj发动机部件a ：涡轮泵；b ：推力室；c ：管路；d ：密封件；e ：调节器；f l 燃气发生器；g l 其它图1 2 发动机各组( 元) 件故障次数统计图美国在涡轮泵专用健康监控系统的研制上给予了较高的关注，针对s s m e 的高压涡轮泵开发了专用的健康监控系统，如红线关机系统、飞行加速度计安全关机系统和高速涡轮泵实时健康监测系统( r 1 、，m s ) 等。( 1 ) 红线关机系统红线关机系统作为s s m e 最早的健康监控系统，用于监测高压涡轮泵的5 个重要参数。该系统曾对s s m e 的安全起过积极的作用，7 0 年代美国研制成功的可重复使用s s m e 上即安装有红线关机系统。但是它对传感器数据的质量要求较高，不能检测发动机的早期故障，且故障覆盖面有限，在使用过程中有时出现故障虚警或漏警的现象。( 2 ) 飞行加速度计安全关机系统8 0 年代中期，为克服s s m e 的红线参数算法依赖传感器、算法简单、不能检测早期故障等缺点，美国研制了可检测涡轮泵异常振动的飞行加速度计安全关机系统。飞行加速度第3 页卯柏如加mo籁蛞暨衽国防科学技术大学研究生院硕十学位论文计安全关机系统可同时监测涡轮泵的多路振动信号，其特征为振动信号的均方根，检测阈值由信号的概率分布确定。截至1 9 9 0 年，该系统共参加了1 8 8 次s s m e 地面试车，累计试车时间为7 9 4 9 0 秒，仅有一次失败。( 3 ) 高速涡轮泵的实时健康监测系统( r t v m s )美国马歇尔太空飞行中心( m s f c ) 在1 9 9 4 - 1 9 9 6 年开发了s s m e 高速涡轮泵的实时健康监测系统( r t v m s ) 0 2 】，它实际上是s s m e 先进健康管理系统( a r m s ) 中的一部分。该系统使用了1 4 个t i c 4 0 d s p 模块及3 2 个1 6 位a d 转换器来处理3 2 个通道的s s m e振动数据。d s p 及a d 卡均装在一个v m e 机箱内，通过高速通讯接口与两台计算机连接，进行控制显示和数据存储。该系统的采样频率高达5 1 2 0 0 s p s ，数据存贮吞吐量可达7 m b 州s ，有能力对1 0 个独立的振动信号进行红线预警监测【7 1 。截至2 0 0 4 年，这套系统已参加了4 0 0 多次发动机试车，没有出现误关机和系统自身故障的现象。而且该系统的简化版参与了s t s 9 6 ( 航天运输系统- - 9 6 ) 航天运载器的飞行任务，系统在飞行环境下的工作能力得到了验证。国内也针对液体火箭发动机涡轮泵，开展了有关涡轮泵状态监控与故障诊断系统的研制。( 1 ) y f 7 5 发动机状态监控与故障诊断工程应用系统( c m f d s )北京航空航天大学针对y f 7 5 发动机研制了状态监控与故障诊断工程应用系统( c m f d s ) ，其工作分为三级( 参数级、部件级和系统级) ，以实现参数、部件和发动机故障的检测与诊断【1 3 】。在故障检测与诊断方法方面，该系统的实时故障检测方法包括神经网络模型和a r 模型两种，试车后数据分析方法包括前向神经网络和时间序列分析等。该系统实现了发动机的状态监控功能，但没有参与过发动机热试车试验。由于研制时间较早，受当时硬件水平制约，该系统的数据传输和计算能力较为有限，状态监控与故障诊断系统的实时故障检测能力有待加强。( 2 ) 某型液体火箭发动机涡轮泵状态监控与故障诊断系统( t c m d 2 0 0 0 )西北工业大学针对某型号液体火箭发动机涡轮泵研制了t c m d 2 0 0 0 状态监控与故障诊断系统，该系统使用数据采集卡和p c 机对涡轮泵振动信号进行采集、分析和存储，并设计了数据冗余计录系统【2 i 】。该系统还进行了1 次涡轮泵的现场水试及2 次火箭发动机的热试车监控试验，初步实现了涡轮泵状态监控功能。( 3 ) 基于p x i 控制器的液体火箭发动机涡轮泵实时故障检测系统国防科技大学在十五期间针对液体火箭发动机的地面热试车试验，研制了液体火箭发动机涡轮泵实时故障检测系统，该系统的总体框架如图1 3 所示，包含信号隔离与调理模块、实时故障检测子系统( r t f d s ) 、高速数据采集号记录子系统，以及试车后数据分析子系统( p t - d a s ) 等部分【9 1 。第4 贞国防科学技术久学研究生院硕十学位论文液l实时故障检- 体信l信测。f 系统火弓号箭拾上隔发动取离机与i与涡调调轮理i理高速数据- i b采集与记泵录子系统i图1 3 涡轮泵故障检测系统的总体框架结构系统在硬件上采用了基于p x i 实时控制器的硬件结构，如图1 4 ，它由l 台p x i 嵌入式实时控制器、l 台工业控制机、4 块数据采集卡以及l 块转速计数卡组成。能够对l 路发动机主级工作时间，7 路涡轮泵振动信号和2 路涡轮泵转速信号进行分析处理和存储，并有能力将输入扩展到1 6 路信号1 2 0 1 。发动机主级工作时间燃料涡轮泵轴向振动燃料涡轮泵径向l 振动燃料涡轮泵切向振动燃料涡轮泵径向2 振动氧化剂涡轮泵轴向振动氧化剂涡轮泵径向振动氧化剂涡轮泵切向振动燃料涡轮泵转速信号氧化剂涡轮泵转速信号l- ahp x i - 4 4 7 2l -基嵌。入延式分端实屏显时器不信- ip x i 一6 6 0 2l -控器制号总器隔rt f d s线- 离与= 一一1机犬柜显孓不器调hd a q - 2 0 0 6l -机数据显示理模块一in n 一 n ! 一iu u - z w oi。i：i ，、，、，i 一一罱i ，ld a 呻0 0 6总l! h s n a n 詹i 墨线i1 t j- 、( 。ol 一图涡轮泵实时故障检测与数据记录的硬件组成框架该系统的实时故障检测子系统同时采用了多特征红线报警算法、多特征自适应阈值算法及改进自适应相关算法对7 路振动信号进行实时检测，并对各算法的结果进行判断决策，给出最后的检测结果。该系统实现了涡轮泵的实时状态监控与故障检测功能，参与了液体火箭发动机地面热试车的考核，取得了较好的效果。但由于硬件设备的限制，该系统的实时处理能力有限，无法实时运行复杂的频域检测算法。总之，液体火箭发动机涡轮泵状态的实时监控问题得到了广泛的重视。国外的涡轮泵第5 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文专用监控系统起步较早，经历了多次的换代发展，其研究与工程应用较为紧密，监控应用范围不仅包括地面试验，而且已经有了箭载应用。同时，我国的涡轮泵监控技术和系统研究也已经取得了较大的发展，但与世界先进水平相比还存在一定的差距，主要表现为t( 1 ) 系统硬件水平有待提高，实时处理能力有待增强。( 2 ) 主要面向发动机地面试车应用，鲜有箭载监控的研究应用。( 3 ) 系统的实际工程应用有待进一步加强。本文在我国现有的火箭发动机涡轮泵状态实时监控系统基础上，为进一步提升其性能，提出了基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 专用处理器的系统方案，以解决监控系统处理能力的瓶颈问题。同时作为探索，针对箭载涡轮泵的监控应用需求，引入模拟随机共振检测方法，对涡轮泵特定故障的检测问题进行研究。1 3 论文主要研究内容及章节安排1 3 1 主要研究内容本文的研究目标是，面向液体火箭发动机的地面热试车试验，对基于d s p 的涡轮泵状态实时监控系统技术进行研究，构建原型监控系统并对该系统进行验证。同时针对涡轮泵箭载监控应用需求，对随机共振的特定故障检测方法进行探索研究。主要研究内容包括：( 1 ) 涡轮泵故障特点分析及故障故障特征的提取( 2 ) 系统总体规划与设计。( 3 ) 系统硬件设计与构建。( 4 ) 涡轮泵实时检测算法研究。( 5 ) 随机共振检测方法研究。( 6 ) 系统实现与验证。1 3 2 各章节结构安排本文共分六章，各章节内容如下t第一章绪论，介绍课题来源、背景及意义，总结国内外涡轮泵状态监控的相关技术，并明确论文的研究目标和内容。第二章涡轮泵实时监控关键技术分析与系统方案，简要介绍涡轮泵的基本结构和工作环境，并对涡轮泵振动信号的故障特征进行选取，在此基础上根据实时监控的特点和故障特征的提取要求对系统硬件需求进行分析，提出d s p 实时监控系统方案。第三章涡轮泵实时状态监控系统硬件设计，基于d s p 技术，根据监控系统方案，给出各电路模块的具体设计方案。第6 贝国防科学技术人学研究生院硕十学位论文第四章涡轮泵实时故障检测算法研究，结合涡轮泵故障特征，分别对涡轮泵的时域、频域、阶比域实时故障检测算法进行研究，并根据d s p 的运算特点，对算法进行改进，作为d s p 软件开发和算法嵌入的基础。第五章涡轮泵特定故障的随机共振检测研究，针对涡轮泵箭载监控的需求，引入随机共振方法对涡轮泵特定故障的检测进行研究，以解决其中的微弱信号提取问题。第六章系统实现与验证分析，在以上的研究和设计基础上，构建基于d s p 的涡轮泵实时监控原型系统，对系统功能进行验证，同时对随机共振方法的特定故障检测能力进行检验。第七章总结与展望，对全文的主要工作和研究成果进行总结，并对下一步研究工作的方向和重点提出建议。第7 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文第二章涡轮泵实时监控关键技术分析与系统方案涡轮泵是液体火箭发动机的重要部件之一，其工况复杂而恶劣，故障多具有突发性，一旦产生将迅速发展，造成严重的后果。因此涡轮泵状态实时监控系统的发展受到了重视。本章针对涡轮泵实时监控的具体需求，对其中的关键技术进行讨论，给出d s p 实时监控系统的总体方案，为系统软硬件设计和构建提供指导。2 1 涡轮泵结构与特性涡轮泵是泵压式液体火箭发动机的重要组成部分，其作用是对燃料贮箱的低压推进剂进行增压，按照发动机系统要求的压力与流量将推进剂送到主推力室进行燃烧，生成高温高压燃气，燃气通过喷管高速排出后可产生火箭所需的推力。同时涡轮泵还将部分或全部推进剂输入燃气发生器或预燃室，将燃烧后的高温高压燃气作为推动涡轮自身工作的工质。涡轮泵由推进剂泵、涡轮、轴承、密封、传动系统、转速测量装置、辅助动力传动等部分组成，根据具体用途不同，涡轮泵的结构有所差别。图2 1 为涡轮泵的功能分解示意图。以某型液体火箭发动机为例，该发动机采用了燃气串连的两台涡轮泵，包括一台液氢涡轮泵和一台液氧涡轮泵。液氢泵和液氧泵分别将推进剂增压后，送入推力室和燃气发生器进行燃烧，生成燃气喷出喷管，同时推动涡轮动叶，驱动涡轮泵作功。由于采用双涡轮方案，可以使液氢泵和液氧泵各自选择最佳的工作转速，从而获得较高的工作效率。氢涡轮泵转速( ，) 约为4 0 0 0 0 r ，r a i n ，氧涡轮泵转速( 胁) 约为2 0 0 0 0 r r a i n 。相对而言，由于氢泵的转速更高，工作条件更苛刻，因此故障概率也相应地更大。涡轮泵的工作环境非常恶劣，其中涡轮一般工作于高温( 1 0 0 0 - - 1 3 0 0 k ) 、高压( 5 _4 0 m p a ) 和高速( 1 0 0 0 0 - - 9 5 0 0 0 r r a i n ) 条件下，而泵则工作在常温( 或低温、超低温) 、高压( 7 - 6 0 m p a ) 和高速( 2 0 0 0 0 - - 4 0 0 0 0 r r a i n ) 的易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性的推进剂中。同时涡轮泵还工作于强振环境中，工作时承受着范围宽广的振动载荷，同时涡轮泵自身也是液体火箭发动机的主要激振源之一。涡轮泵的振动主要来源于两个方面：( 1 ) 自身引起的振动。不完全平衡的转子旋转及转轴振动引起的惯性径向力，作用在涡轮叶片上随时间变化的气动力，泵的流体压力脉动等都可引发涡轮泵的自身振动。( 2 ) 来自于其它振源的振动。推力室燃烧时引起的振动，发动机整体和航天运载器其它辅助系统的振动都会最终传递至涡轮泵，造成涡轮泵的强振工况。第8 页国防科学技术大学研究生院硕十学位论文j 高黼生密封作用1支撑涡轮转子转一1动和传递机械能密封作用i 高速旋转产生高速i高压推进剂组元i 提高主泵叶轮入口i 前压力，防止汽蚀一支撑叶轮转动功率和改变转速的作用图2 1 涡轮泵功能分解图提高推进剂组元压力输送推进剂到推力室进行燃烧在发动机启动阶段，存在点火冲击、流体动力不稳定，以及涡轮泵转速通过转子的临界转速与轴向固有频率时出现的共振或自激现象i 悼1 6 1 。这对转子系统来说是严重的安全隐患。某型液体火箭发动机燃料涡轮泵工作转速介于其转子二阶与三阶临界转速之间，二阶和三阶临界转速之间有足够大的距离，以避免在主级工作阶段发生共振现象。但是该型发动机的燃料涡轮泵在升速时则可能会激发转子的一阶、二阶和轴向固有频率。在发动机主级工作阶段，由燃料涡轮泵或燃气发生器工作不稳定而引起的燃气压力脉动，是诱发转子的轴向固有频率发生共振的主要振源f 。而燃料涡轮泵副液路系统流体动力则是诱发转子轴向自激振动和次同步进动的主要原因【1 5 , 1 6 。2 2 涡轮泵故障特征选取故障特征选取是状态监控的基础，故障特征对状态监控的实施方法和最终效果具有很大的影响。良好的故障特征应具有较好的故障灵敏度，对噪声和干扰具备较好的抑制能力，不易造成虚警，同时还应具有计算量小，提取方便等特点。第9 页国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文2 2 1 涡轮泵振动信号的获取涡轮泵的各种故障模式会不同程度地在其振动信号上体现出来，通过分析涡轮泵转子系统的振动情况，可以获取涡轮泵的状态信息。因此首先需要对涡轮泵的振动信号进行拾取。涡轮泵转子系统主要由转子及其支撑系统，包括轴承支座和涡轮泵壳体等构成。从信号分析的角度，最理想的办法是在涡轮泵转子上直接拾取振动，然而直接测量转子振动较为困难，需要更高性能的传感器和测试技术，目前尚有很多技术问题未能得到完全解决。同时涡轮泵结构十分紧凑，对于很多定型的发动机来说，在涡轮泵转子上追加传感器测点是不可能的。因此振动信号测点一般只能布置在涡轮泵的壳体上，此时涡轮泵转子的振动需要通过轴承、支承座等复杂结构才能传递到壳体上，振动传递路线较长，传递过程较为复杂。在实际工程应用中，获取涡轮泵振动信号的方法是在涡轮泵壳体上设置一个测振座，在测振座上安装加速度传感器，分别拾取轴向、径向和切向三个方向的振动信号，力求尽量完整地反映转子本身的振动情况。加速度传感器拾取的信号要经过相应的调理放大，传输至监控室进行记录和监控，涡轮泵监控系统最后直接处理的信号实际上是经过调理和单位校准的电压信号。同时，由于转速也是衡量涡轮泵状态的重要指标，振动信号分析不可避免地需要涉及相应的转速计算，故转速也是一个需要测量的物理量。这样，涡轮泵的检测信号达到了四路，分别是转速信号厂、轴向振动信号砌、径向振动信号玢、切向振动信号玢，在有的监控场合，为确定轴心轨迹，还需要再加上一路径向2 振动信号。2 2 2 时域故障特征选取在实际工程应用中，常用的统计特征主要有峰值耸、绝对平均值五、均方根局淞、方根墨、波形因子号、峰态因子q 、脉冲因子多、裕度因子c 匆、偏度s 、峭度墨、一步自相关系数r 叫等。若所采集的振动信号为) ，则相应的统计特征计算公式为：( 1 ) 峰值局( 2 ) 绝对平均值五4 = 川m a x l x , i )艺= 掬五i( 2 1 )( 2 2 )第1 0 页国防科学技术人学研究生院硕十学何论文( 3 ) 均方根溉榔( 4 ) 方根疋( 5 ) 波形因子母( 6 ) 峰态因子g( 7 ) 脉冲因子多( 8 ) 裕度因子c 勿( 9 ) 偏度s( 1 0 ) 峭度凰x 郴=墨= ( 专善l 置序 2舅= 等c ，= 老txp，2 亨a 口一tx p吁2 寸a ，母2 一n in 、3【吉善( 工一嘉姜z ) 2r弘一# f1n , 、4( 专喜( 工一专姜工) 2 ( 2 3 )( 2 4 )( 2 5 )( 2 6 )( 2 7 )( 2 8 )( 2 9 )( 2 1 0 )第1i 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文( 11 ) 一步自相关系数西。屯= 盟广一( 2 1 1 )#i - i这些统计特征从不同的时域角度刻画了信号，能够反映出的故障信息。文献【9 】根据发动机历史试车数据，采用统计方法分析了这些时域特征，剔除了冗余特征，比较了各特征的故障敏感性和稳定性，最终选择均方根埘、峭度凰和裕度因子作为涡轮泵振动信号的故障特征。均方根的含义为信号的平均功率，信号的功率异常往往与涡轮泵的工作异常相对应。峭度是信号的四阶原点矩，其含义比较抽象，反映了信号中冲击的尖峭程度和波形的平坦程度。裕度因子则反映了信号最大幅值的偏离程度。从特征的定义可以看出，时域特征计算量小，提取简便，易于实时实现，对监控系统硬件能力的要求相对较小。但时域特征物理含义不够明显，不易与特定的涡轮泵故障机理联系起来。2 2 3 频域故障特征选取涡轮泵的振动信号含有丰富的信息，对涡轮泵振动特性与故障机理进行分析可知，涡轮泵的转子质量不平衡、部件松动、动静件碰摩和次同步进动等主要故障模式，在信号频谱中表现为转子固有频率、转子转频及其倍频特征。相对而言，信号的频域特征具有较为明确的物理含义，能够直观地反映涡轮泵的工作状态与故障原因。涡轮泵故障的频域特征主要有固有频率和随工作状况变化的旋转频率及其倍频两类对于第一类特征，涡轮泵轴向振动信号的转子固有频率幅值，以及转子的一阶、二阶和三阶临界转速幅值都对涡轮泵的故障较为敏感【9 1 。对于第二类特征，需要针对具体的发动机进行分析。对于某型液体火箭发动机来说，该发动机涡轮泵的离心轮具有有6 个长叶片、1 2 个中叶片和6 个短叶片。当涡轮泵转子以频率，i x 旋转时，每周旋转都会有6 个长叶片、1 2 个中叶片和6 个短叶片通过起点，在其振动信号频谱中，相应的6 倍转频触和1 2 倍转频石从处存在较大的频率分量，如果叶片出现故障( 断裂与脱落) ，就会引起血或石硝的幅值变化，因此 x 、血和石硝的谱线幅值可以作为故障特征。此外，振动频谱在2 x - 3 x和8 x - 9 x 的频带较为集中，对应频带的频率幅值均方根对涡轮泵故障也较为敏感，亦可以选择作为故障特征频率。第1 2 页国防科学技术人学研究生院硕十学位论文2 3 涡轮泵实时监控系统方案由于涡轮泵状态监控的实时要求，其监控系统技术与一般离线分析相比具有较多不同，主要表现为实时监控对硬件处理能力和任务管理的要求较为苛刻，处理器必须在规定的时间内完成故障的分析判断及其它运算任务。2 3 1p x i 系统技术p x i 是由美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。p x i 总线具有一系列的优点，p x i 总线的目标是在p c i 总线基础上提供一种技术优良的模块仪器标准。由于p x i 是在p c i 规范的基础上发展而来的，因此具有p c i的性能和特点，包括3 2 6 4 位数据传输能力及分别高达1 3 2 m b y t e s ( 3 2 位) 和2 6 4 m b y t c s( 6 4 位) 的数据传输速度，此外还支持3 3 v 系统电压、p c i - p c i 桥路扩展和即插即用等特性。p x i 在保持p c i 总线优点的前提下还增加了用于多板卡同步的触发总线、1 0 m h z 参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、用于相邻模块间高速通信的局部总线等，以满足数据采集和工业自动化要求。p x i 兼容c o m p a c t p c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击试验) 等要求，适用于工作环境较为恶劣的场合。在成本方面，由于p x i 采用当前p c 机的标准软件系统架构如w i n d o w s 2 0 0 0 x p ，进一步降低了系统集成的难度，节约了系统成本。表2 1 列出了几种常用测控体系的性能比较。表2 1 常用测控体系性能比较g p mv x i标准p c ip 8 、1 6 ( i s a )传输位宽( 位)88 、1 6 、3 28 、1 6 、3 2 、6 48 、1 6 、3 2 、6 4 ( p c i )吞吐率l - 84 0 、8 0l 2 ( i s a )1 3 2 _ 2 6 4( m b y t e y s )( v m 【e 6 4 )1 3 h 6 4 ( p c i )同步性差好一般好电磁防护可选有定义视具体板卡而定视具体板卡而定标准软件框架无有定义无有定义系统成本高中一高低低一中采用p x i 技术进行监控系统设计具有成本低、搭建容易、可靠性高、性能优良等优点。而且p x i 的