振動(dòng)參數(shù)測量偏大問題分析

張鵬 劉江 范啟華 王洪斌

摘要：針對某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在車臺參與調(diào)試試車時(shí)振動(dòng)參數(shù)測量偏大問題，對可能影響的因素進(jìn)行了逐一排查與分析，得出原因是振動(dòng)信號混疊有趨勢項(xiàng)信號、噪聲信號等干擾信號，造成采集振動(dòng)信號失真。針對原因，采取了信號處理去除趨勢項(xiàng)信號和選型更換抗干擾能力強(qiáng)的振動(dòng)傳感器等措施，發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)振動(dòng)參數(shù)正常，振動(dòng)參數(shù)測量偏大問題得到了解決。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng);趨勢項(xiàng);噪聲信號

中圖分類號：V235.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0181-04

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，一旦出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致全局性的損失[1]。在眾多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)測量參數(shù)中，振動(dòng)信號能迅速、直接地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，各部件會(huì)由于復(fù)雜的運(yùn)行工況而產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信息[3]。這些信息中有些對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是很重要的，而動(dòng)態(tài)信息往往混疊在趨勢項(xiàng)信號、噪聲信號等信號中而無法有效識別[4]。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在車臺參與調(diào)試試車時(shí)，振動(dòng)測量數(shù)據(jù)與同臺發(fā)動(dòng)機(jī)在黎陽車臺試車的振動(dòng)數(shù)據(jù)比較顯著偏大，出現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象。本文對異常的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出振動(dòng)數(shù)據(jù)異常的原因是振動(dòng)信號混疊有趨勢項(xiàng)信號、噪聲信號等干擾信號。本文提出的解決措施，可正常還原真實(shí)信號，解決了振動(dòng)測量偏大問題。

1 振動(dòng)異常現(xiàn)象描述

車臺最初是為某渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的，其振動(dòng)要求的指標(biāo)是以加速度的形式給出的。某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的要求是以速度的形式給出的。

某臺發(fā)動(dòng)機(jī)在601車臺參與調(diào)試試車時(shí)，n1=35.7%時(shí)，前水平振動(dòng)為2.7mm/s;當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，前水平振動(dòng)也升高，在n1=79.35%時(shí)，前掛點(diǎn)水平振動(dòng)達(dá)到最大，為43.25mm/s;n1=95.7%時(shí)，前水平振動(dòng)為24.4mm/s。

而此發(fā)動(dòng)機(jī)在黎陽試車臺試車時(shí)，在同位置同方向上測量，n1=35.9%時(shí)，前水平振動(dòng)為1.1mm/s;當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，前水平振動(dòng)也升高，在n1=79.0%時(shí)，前水平振動(dòng)達(dá)到最大值15mm/s;n1=95.5%時(shí)，前水平振動(dòng)為4.7mm/s。黎陽車臺使用的是一套比較成熟的振動(dòng)測試系統(tǒng)，經(jīng)過多型號大量發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證，測試準(zhǔn)確。

加速度傳感器靜態(tài)檢定為合格，傳感器帶上傳感器支架一起校準(zhǔn)，證書結(jié)果也為合格。

2 振動(dòng)測量原理

601試車臺振動(dòng)測試系統(tǒng)組成：加速度傳感器輸出電壓信號，通過電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，同時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備將數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)。測量軟件中，對采集的原始信號進(jìn)行濾波、積分、取有效值等操作。最終試驗(yàn)記錄的是經(jīng)過濾波、積分、取有效值后的振動(dòng)數(shù)據(jù)[6]。

加速度傳感器使用IEPE傳感器。忽略Ca、Cc和Ci時(shí)：

上式中Cf——反饋電容;usc——輸出電壓[5]。

振動(dòng)的一倍頻最大頻率為258.98Hz，考慮為振動(dòng)頻率留一定余量，通常設(shè)置濾波高截止頻率為300Hz。濾波方式采用巴特沃茲濾波器。其平方幅頻特性函數(shù)為：

3 振動(dòng)參數(shù)異常分析

3.1 振動(dòng)參數(shù)異常故障樹

針對某發(fā)動(dòng)機(jī)在臺架調(diào)試試車時(shí)振動(dòng)測量偏大問題，使用故障樹方法進(jìn)行分析，如圖1所示。

3.2 振動(dòng)參數(shù)異常故障樹分析

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)異?；虬l(fā)動(dòng)機(jī)安裝造成的振動(dòng)異常

振動(dòng)是由轉(zhuǎn)子不平衡的激振力所引起的。由于激振力到發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過阻尼衰減、彈性放大增幅等作用，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是復(fù)雜的[7]。但振動(dòng)信號可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號和其它振源信號線性瞬時(shí)混合而成。旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號一般為周期或準(zhǔn)周期信號[8]，本文將其視為周期信號進(jìn)行研究。假設(shè)振動(dòng)源向量s（t）為實(shí)向量，且對向量中任何一個(gè)元素都有：

假設(shè)測量信號中不含有非發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的信號，令某測點(diǎn)加速度傳感器輸出信號為U，則有：

數(shù)據(jù)顯示，在n2=84.004%，n1=79.11%時(shí)，振動(dòng)加速度信號最大值為1.533g，假設(shè)測量信號中不含有非發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號，根據(jù)（11）式，理論上速度值應(yīng)小于等于16.4 mm/s。

而實(shí)際上測得速度信號最大值為45.93mm/s，與以上結(jié)論矛盾。

所以判斷振動(dòng)數(shù)據(jù)異常并不是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)異?；蛘甙l(fā)動(dòng)機(jī)安裝造成的振動(dòng)異常，而是因?yàn)椴杉碾妷篣中有非發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的信號。

3.2.2 傳感器支架影響測量

為了排除傳感器支架影響測量，傳感器帶上傳感器支架一起校準(zhǔn)，校準(zhǔn)證書結(jié)果為合格。

3.2.3 積分算法不準(zhǔn)確

使用軟件仿真信號9.8sin（320πt+π），該函數(shù)理論計(jì)算的積分的有效值為0.009748。而9.8sin（320πt+π）經(jīng)過軟件積分后取有效值得到的實(shí)際結(jié)果為0.009750，與理論計(jì)算出的結(jié)果基本吻合。排除了積分算法不準(zhǔn)確造成的振動(dòng)數(shù)據(jù)異常。

3.2.4 測量信號中有恒定分量

如對恒定分量處理不當(dāng)，會(huì)影響積分后的結(jié)果。假設(shè)積分前的正弦信號存在恒定分量，則振動(dòng)信號積分以后的結(jié)果為t+Udt，如圖2所示。此時(shí)結(jié)果將是發(fā)散的，與振動(dòng)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象不符。所以排除了積分前的測量信號含有恒定分量造成的振動(dòng)數(shù)據(jù)異常。

3.2.5 濾波參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)

振動(dòng)信號經(jīng)過30～300Hz的濾波器后的FFT如圖3所示?？梢钥匆?Hz～30Hz的范圍內(nèi)，除了0Hz周圍的信號，其他信號都已被有效濾除。因此，除了截止頻率外，其他濾波參數(shù)的設(shè)置都是很有效的。但30Hz～110Hz，依舊有干擾信號。如果進(jìn)一步提高下截止頻率至110Hz，則會(huì)濾除n1低于60%與n2低于42%的振動(dòng)信息，而這些信息是非常重要的。因此排除了濾波參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)造成振動(dòng)數(shù)據(jù)異常。

3.2.6 測量信號中有趨勢項(xiàng)信號

如圖3振動(dòng)信號的FFT所示，0Hz周圍的振動(dòng)信號中有異常信號。因?yàn)樵囓嚂r(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)測量結(jié)果不發(fā)散，所以該信號不是恒定分量信號，而是趨勢項(xiàng)信號。該信號的存在必然會(huì)使得最終的振動(dòng)結(jié)果偏大，該信號為振動(dòng)信號異常的其中一個(gè)原因。

3.2.7 測量信號中有交流干擾信號

經(jīng)過濾波后的振動(dòng)信號的FFT如圖3所示，30Hz～110Hz的振動(dòng)信號中有交流干擾信號。從中可以看到，干擾信號在整個(gè)頻域內(nèi)并不均勻分布，且在各個(gè)頻率下能量不同。該干擾信號的存在必然會(huì)使得最終的振動(dòng)結(jié)果偏大，該信號為振動(dòng)信號異常的另一個(gè)原因。

首先在保證電纜根部自由伸展不受力的情況下，將電纜固定在與發(fā)動(dòng)機(jī)沒有相對位移的物件上，避免由于電纜晃動(dòng)引入的電纜噪聲，然后做以下驗(yàn)證：

（1）如圖4所示。經(jīng)過整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，在不更換數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)采集軟件、測量電纜、傳感器的情況下，n1=78.1%時(shí)，振動(dòng)數(shù)值為39.6mm/s;在更換了數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)采集軟件、低噪聲電纜，但不更換加速度傳感器的情況下，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速78.3%時(shí)，振動(dòng)數(shù)值48.5mm/s并且同轉(zhuǎn)速下兩次振動(dòng)變化的趨勢也基本一致。較好的復(fù)現(xiàn)了振動(dòng)異常的現(xiàn)象。排除了數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)采集軟件、電纜噪聲造成的振動(dòng)數(shù)據(jù)異常。

（2）其他條件不變，在只更換加速度傳感器后，振動(dòng)數(shù)值降低了。并且振動(dòng)信號的FFT上沒有30Hz～110Hz的交流干擾信號了。具體采取的措施及振動(dòng)數(shù)據(jù)詳見6.2節(jié)。確認(rèn)了在試車時(shí)加速度傳感器測量出的信號帶有交流干擾信號，這是振動(dòng)信號異常的另一個(gè)原因。

3.2.8 小結(jié)

經(jīng)過分析與一系列的排故工作后得出故障原因?yàn)椋海?）測量信號中有趨勢項(xiàng)信號;（2）測量信號中有交流干擾信號，交流干擾信號來源于IEPE加速度傳感器測量出的信號。

4 采取的措施

4.1 軟件采取措施

趨勢項(xiàng)信號不能被30～300Hz的帶通濾波器濾掉，且不能被傳統(tǒng)的中心化處理算法扣除，因此應(yīng)使用去趨勢項(xiàng)算法。具體算法是：將積分得到的數(shù)組數(shù)據(jù)等分，對每段數(shù)據(jù)計(jì)算均值，將得出的所有均值數(shù)據(jù)用最小二乘擬合計(jì)算得出新數(shù)組。最后用積分后的數(shù)組與新數(shù)組做差。

增加了去趨勢項(xiàng)算法以后，速度信號的“FFT幅度-頻率”如圖5所示：在0Hz附近的趨勢項(xiàng)信號沒有了。

之前實(shí)測的速度信號有效值為45.93mm/s，加速度信號有效值為1.533g。增加了去趨勢項(xiàng)算法以后，速度信號有效值為38.87mm/s，加速度信號有效值為1.533g，此時(shí)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為79.11% ，比未加去趨勢項(xiàng)算法前的數(shù)據(jù)更接近不等式（11）。

4.2 硬件采取措施

應(yīng)去掉交流干擾信號，才能確保振動(dòng)信號的準(zhǔn)確。因此選型更換了振動(dòng)傳感器：選擇使用溫度范圍滿足發(fā)動(dòng)機(jī)后掛點(diǎn)溫度的電荷輸出型加速度傳感器（配電荷適配器）。并且選擇電氣連接絕緣型的加速度傳感器，從根源上避免干擾信號進(jìn)入測試系統(tǒng)。如圖6所示，振動(dòng)信號沒有了交流干擾信號。

5 試車驗(yàn)證

采取排故措施后，經(jīng)過試車驗(yàn)證后，數(shù)據(jù)如下：601車臺測得速度有效值最大為7.03mm/s，此時(shí)加速度有效值為1.11g，n1=96.7%，n2=96.0%。快速傅里葉變換顯示此時(shí)幅值最大的激振頻率為248.1Hz，沒有趨勢項(xiàng)信號及交流干擾信號。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)有效值數(shù)據(jù)滿足（11）式。并且此發(fā)動(dòng)機(jī)在黎陽試車臺試車，在同位置同方向上測量，振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化趨勢與601車臺測得的結(jié)果一致，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)從慢車起，當(dāng)n1轉(zhuǎn)速升高后，前掛點(diǎn)水平振動(dòng)升高。當(dāng)n1≥83%后，前掛點(diǎn)水平振動(dòng)能維持在穩(wěn)定水平，約11mm/s。在黎陽車臺測得n1=96.0%時(shí)，速度有效值為10.6mm/s。

這表明發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測量數(shù)據(jù)正常，采取的措施得到了驗(yàn)證，措施有效，振動(dòng)參數(shù)測量偏大問題得到了解決。

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