航空发动机整机振动故障诊断

1.航空发动机振动故障诊断1.1国内外现状1)我国航空发动机振动故障诊断技术的研究现状在我国，只有发动机的设计和生产单位具备整机振动试验的条件，如沈阳航空发动机设计院和沈阳黎明明公司。因此，国内对这一课题的研究非常有限，成果也很少。由于试验条件的限制，目前国内一些高校和研究机构正在对航空发动机工作过程中影响振动的关键部件进行研究。北京航空航天大学机械设计与自动化学院的王春杰和曾富明根据保持架的运动特点建立了冲击振动模型，分析了影响振动的因素及其相互关系，研究了保持架轴向突然断裂和疲劳断裂的机理，有针对性地解决了碰撞问题。目前，振动信号盲源分离技术已经受到重视，并取得了一些研究成果。西北工业大学旋转机械与风能设备测控研究所的宋晓平和廖明富利用盲源分离方法分离双转子航空发动机的振动信号，并利用快速独立分量分析算法分离某双转子航空发动机高压转子和低压转子测量的不同频率的振动信号。西北工业大学电子信息学院的马建仓、赵霖和冯冰利用盲源分离技术分析了涡扇发动机的大振动现象。采用快速独立分量分析和JADE算法对振动信号进行分析，在一定条件下分离出发动机的振源信号，为发动机振动故障诊断技术提供了依据。AVIC航空发动机设计研究院研制了转子振动故障再现测试仪，可以测试和分析发动机研制过程中出现的各种振动故障。采用神经网络和小波分析技术等先进的诊断技术，逐步建立了一个更加完善的故障诊断专家系统。北京航空航天大学的洪杰和任泽刚将先进的信息处理方法和专家系统应用于航空发动机振动故障诊断。中国民航大学的范和白洁将故障方程和人工神经网络应用于民用航空发动机的故障诊断。西北工业大学的张家声等人开发了一套航空发动机振动信号处理和状态监测系统软件，该软件具有数据采集、各种工艺参数的计算和控制输出、监测数据的显示、存储和分析等功能。西北工业大学的杨晓东等人研究了某型航空发动机试车的故障特征，并针对某型航空发动机试车开发了故障诊断与排除系统。该系统具有良好的用户交互界面，提供系统用户管理和故障信息智能采集等功能。由于航空发动机的设计需要整机振动的实验条件，沈阳航空发动机设计研究院的郑旭东等人在与整机振动结果对比分析的基础上，应用积分传递矩阵法，计算了某型发动机转子-轴承-壳体-安装连接系统的临界转速和应变能分布。由于沈阳航空航天大学、沈阳航空发动机设计研究所和沈阳黎明明公司之间的便利合作，动力与能源研究所的教师对整机的振动进行了一些技术研究。其中，王克明对某型航空涡扇发动机的振动信号进行了时域、频域和三维分析，确定了发动机的故障类型。沈阳航空航天大学的艾延亭和沙云东提出了一种基于BP神经网络的航空发动机振动故障诊断方法。以ZT三号采集的航空发动机振动数据为样本，建立了发动机故障诊断模型，实现了发动机故障模式的分类。艾延亭利用模式识别的灰色关联度方法，以某型发动机采集的振动试验数据为样本，建立了标准特征库，计算出被评价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，实现了对发动机振动状态的评价。由于小波包和谐波小波具有良好的时域和频域分割能力，近年来一些学者将小波包和谐波小波应用于振动信号的分析。在谐波小波变换过程中，他们有自己的快速算法，克服了小波包失真和信息丢失的缺点。因此，谐波小波被有效地应用于振动信号处理。李顺模等人利用谐波小波成功地实现了微弱振动信号的频域提取和时域重构，表明谐波小波方法在频域提取能力和精度上明显优于小波方法和基于二进制分解的傅里叶分析方法，体现了谐波小波变换在频域的保相特性。根据实验，郑等人发现小波对信号幅值的变化非常敏感，适用于检测信号的奇异点，并利用广义小波变换提取振动信号的特征。唐玉芝等人将谐波小波的时频表示应用于噪声和振动信号的时频表示。陈果将谐波小波应用于旋转机械的转子故障诊断，成功地诊断了旋转机械的四种转子故障。改进的谐波小波及其在转子故障诊断中的应用证明，该方法可以有效地应用于航空发动机振动信号的故障诊断。2)国外航空发动机振动故障诊断技术的研究现状只有美国、英国、法国和俄罗斯等少数几个国家能够在国外独立设计和生产航空发动机，但它们都将航空发动机视为国家机密，相应的技术研究文件很少。目前，航空发动机振动研究技术仅检索到英国曼彻斯特大学机械、航空和土木工程系的两篇文献。其中，Philip Bonello设计了整机导纳谐波平衡法，解决了非线性齿轮整机模型稳态周期不平衡振动的频域计算问题。通过对模拟双转子发动机模型的验证，该设计方法功能强大，使用方便。范敏海设计了整机脉冲导纳法，解决了非线性齿轮整机模型稳态周期不平衡的时域计算问题。通过模拟双转子发动机模型验证了该设计方法，比传统的隐式积分方法快约40倍。俄罗斯在解决整机振动故障时，主要根据经验利用振动图谱数据消除振动。1.2航空发动机振动试验及常见故障1)航空发动机振动试验参数根据发动机试验规范的要求，全机发动机振动试验的基本内容1发动机系统基本振动参数的测量。测量压缩机、涡轮和附件齿轮箱外部结构的振动位移、速度和加速度。在轴承的适当位置测量轴承载荷、转子振动加速度、速度、位移、频率、相位、外力和其他参数。发动机系统振动特性参数测试。测量转子支撑系统和产生高频振动和应力的其他部件(如机壳)的固有频率、模态参数和物理参数(如转子临界速度、振动模式、刚度和阻尼)。目前，航空发动机转子系统的机械状态和故障主要通过振动检测和信号分析技术来识别和发现。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、分析仪和以计算机为中心的数据处理系统组成。在实际应用中，应根据具体对象、监测目的和监测要求选择合适的测量系统和处理方法，准确分析发动机的振动特性，有效诊断和预测发动机的振动故障。根据传感器的不同参数，可以采用光学测量、电学测量和机械测量来测量振动信号。电气测量广泛应用于整个航空发动机的振动测量。主要测量参数是在高、低转子和发动机的5个横截面位置的垂直和水平方向上的6个振动速度信号和3个加速度信号。2)航空发动机振动的常见故障整机的振动主要是由内部故障引起的。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来推断故障原因，从而有针对性地分析和排除故障。航空发动机振动故障诊断的关键是找到振动状态参数和振动故障特征参数之间的对应关系。整个航空发动机振动故障的诊断应基于获取发动机的稳态数据、瞬态数据、过程参数和运行状态信息，通过信号分析和数据处理提取发动机的具体故障症状和故障敏感参数，通过综合分析判断确定故障原因，做出符合实际情况的诊断结论。表1某型航空发动机典型振动故障类型l转子不平衡故障转子不平衡是由转子部件的偏心质量或转子部件的缺陷引起的故障。转子不平衡引起的发动机振动是常见的。转子不平衡的原因是：结构设计不合理；制造和装配错误；不均匀的材料；加热不均匀；运行期间转子的腐蚀、磨损和结垢；零件松动和脱落等。1)时域波形通常为正弦曲线，可根据幅度判断不平衡是否引起故障。2)当不平衡是主要故障时，轴承水平方向和垂直方向的振动相位差约为10度；3)速度跟踪的动态特性：当转子启动时，振动幅度与质心到轴的距离成正比。当转速低于转子的一阶临界转速时，振幅将与转速的平方成比例变化。最大峰值出现在临界转速。经过临界转速后，振幅逐渐减小并趋于一个恒定值，即偏心值。4)轴心轨迹特征：质量不平衡振动响应在一定程度上通常是一个圆周捕捉轨迹。水平方向的振动通常是垂直方向的10到10倍。当水平振动与垂直振动之比大于时，通常表示其他故障，尤其是共振。l转子错位由于通过联轴器连接时转子和转子的安装不当，或者由于轴承中心线的错位，或者由于转子轴的弯曲、转子和轴承之间的间隙以及轴承后转子和轴承的变形，转子之间的错位通常会导致振动和机械故障。这也是最c2)在径向振动信号的频谱中，第一和第二频率分量是主要分量。轴系失调越严重，第二频率分量的比例就越大，在大多数情况下，它超过了第一频率分量。3)轴向振动的频谱分量具有较大的倍频幅度。4)联轴器两侧的轴向振动基本上为180反向。5)典型轴轨迹正进动。6)振动对载荷变化敏感。一般来说，振动幅度随着载荷的增加而增加。滚动轴承故障滚动轴承是航空发动机及其测试设备中最常用的部件之一。它的运行直接影响整个机器的功能。检测轴承故障的方法很多，如振动分析、噪声分析、温度检测、油样分析等。滚动轴承的主要失效模式有：1)疲劳剥离滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面都承受载荷并相对滚动。由于交变载荷的作用，裂纹首先在表面下一定深度(最大剪应力处)形成，然后延伸到接触表面产生剥落坑，最后发展成大面积剥落，称为疲劳剥落。2)滚道和滚子的相对运动以及灰尘和异物的侵入等会造成磨损表面的磨损。当润滑不良时，表面磨损会加剧。磨损降低了轴承的操作精度，也降低了机器的整体操作精度。振动和噪音相应增加。3)塑性变形当工作载荷过大时，轴承将承受过大的冲击载荷或静载荷，或热变形产生附加载荷，或当高硬度异物侵入时，在滚道表面形成凹痕或划痕。这将使轴承在运行过程中产生严重的振动和噪音。4)腐蚀也是滚动轴承的常见故障之一。当湿气直接侵入轴承时，会导致轴承腐蚀。由于表面腐蚀和精度损失，高精度轴承通常无法继续工作。5)粘合所谓的粘合是指一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象。在润滑或性能不佳、高速和重载的条件下，轴承零件可能会由于摩擦和加热而在很短的时间内达到很高的温度，从而导致表面烧伤和损坏。l档故障齿轮是航空减速器的主要传动部件，也是容易发生故障的部件之一。航空发动机对齿轮传动有很高的要求，要求齿轮在高速、重载等恶劣条件下工作，齿轮装置具有高稳定性、高可靠性、结构紧凑等良好的工作性能，从而增加了导致齿轮失效的因素。齿轮会因制造错误、装配不当或在不适当的条件下使用(负载、润滑等)而损坏。)。常见的损害大约有四种类型：1)牙齿断裂有两种类型：疲劳断裂和过载断裂。最常见的是疲劳断裂，通常始于受力侧的齿根开裂，并逐渐发展到齿端，导致断裂。过载断裂是由机械系统速度急剧变化、轴系统共振、轴承损坏、轴弯曲等原因造成的。它是由齿轮的异常接触和齿面一端的载荷集中引起的。2)齿的磨损是由金属颗粒、灰尘和沙子进入齿轮引起的材料磨损和磨损引起的。3)牙齿的疲劳当牙齿表面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，表层首先会产生细小的裂纹，然后小片会剥落，严重时甚至整个牙齿都会断裂。4)齿面塑性变形，如挤压、起皱等。l共振共振现象经常发生在航空发动机部件试验和整机试验中。当转轴、发动机壳体或管道等附属结构的固有频率被转子的基频(或基频的谐波频率)激发时，通常会引起这种现象。有时转轴的共振也是由油膜轴承的刚度变化或齿轮传动的影响引起的。在航空发动机部件试验和整机试验中，不允许有大振幅的共振，否则会发生破坏性损伤。主要特点是在航空发动机及其零部件的试验过程中，经常会出现摩擦和碰摩故障。航空发动机的旋转部件以非常高的速度旋转。转子弯曲引起的转子与固定部件接触和摩擦引起的异常振动、转子错位引起的轴向变形、间隙不足和非旋转部件的弯曲变形等。不时发生。摩擦分为两种类型：全直径环形摩擦和局部摩擦。摩擦摩擦故障的振动频率分量丰富，既有与转速频率相关的低频分量，也有与固有频率相关的高次谐波分量，并伴有异常噪声。摩擦可以被认为是系统的宽带激励。当摩擦随着旋转周期性地发生时，它也将激励轴向频率分量。机械松动在航空发动机试验过程中，松动会导致严重的振动。松动是由紧固基础松动、轴承约束松动、轴承间隙过大等原因造成的。松动可能是导致更严重振动问题的任何现有不平衡或错位。在松动的情况下，除了变频振动外，还会有高次谐波振动(如2f0、3f0等。)和分数谐波谐振(如1/2f0、1/3f0等。)的基本旋转频率，其通常的特征是在一系列频率转换的频谱上异常大的振幅和高方向性的松动现象。油膜涡动和油膜振荡油膜涡动和油膜振荡是由滑动机械特性引起的自激振动。涡流频率通常是=(0.43 0.48) 。油膜涡动时，其涡动频率也随着工作转速的增加而增加，半频谐波的幅值也随之增加，加剧了转子的振动。油膜振荡的振动特性：特征频率为1/2，(0.43 0.48)，常伴有倍频。l密封和间隙动态不稳定性高速旋转机械的叶轮和密封装置由于密封压差大、转速高，容易在转子和定子之间的小间隙处产生激振力，导致转子运行不稳定和异常振动。其振动特征是特征频率不到二分之一的次谐波，常伴有倍频、分频和高倍频。热弯曲失效热弯曲发生在发动机停