張帥,張強波,張霞妹
中國飛行試驗研究院 發(fā)動機所,西安 710089
在飛機的飛行環(huán)境中,發(fā)動機部件工作環(huán)境惡劣,當飛機起飛、著陸或低空飛行時,發(fā)動機產(chǎn)生強大的吸力導致其容易受到外來物撞擊,例如冰塊、風沙、石塊、金屬碎屑或鳥的撞擊[1]。外來物的撞擊容易使發(fā)動機的風扇、壓氣機一級葉片或整流罩等部件損傷,從而導致發(fā)動機故障,誘發(fā)飛行安全事故[2]。及時準確地檢測出發(fā)動機發(fā)生外物撞擊事件并發(fā)出警報信號,為飛行員提供有效的處置措施建議,可有效地保障飛行安全、降低事故發(fā)生率。因此,外物撞擊發(fā)動機的檢測識別技術(shù)就顯得尤為重要[3]。
發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子葉片被異物撞擊后的最直接表現(xiàn)是葉片振動異常增大,葉片和承力結(jié)構(gòu)載荷發(fā)生較大變化。當發(fā)動機遭遇嚴重外物撞擊(鳥撞)事件時,機載參數(shù)會產(chǎn)生明顯異常變化,如振動異常、發(fā)動機推力損失等,安全監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測到撞擊事件并發(fā)出警報;但當發(fā)動機遭遇一般外物撞擊事件時,由于發(fā)動機的振動傳感器大多位于機匣安裝邊等靜止部件,撞擊位置與振動傳感器之間的載荷傳遞路徑復雜,葉片振動傳遞至振動傳感器會有較大的衰減,發(fā)動機安全監(jiān)測系統(tǒng)無法識別此類事件[4]。1995年11月,美國一架飛機因在風雨等復雜氣象環(huán)境下低空進近,飛機在跑道入口撞樹,發(fā)動機吸入異物碎片,導致發(fā)動機損壞且動力不足而無法復飛,但發(fā)動機的安全監(jiān)測系統(tǒng)未檢測到發(fā)動機狀態(tài)異常[5]。大量的外物撞擊飛行事故分析結(jié)果表明,通過判斷發(fā)動機機載參數(shù)是否異常或突變,在大部分情況下是無法判斷發(fā)動機是否遭遇外物撞擊的。因此,可以應(yīng)用文獻[6]中提出的基于葉尖定時原理的非接觸葉片振動測量方法檢測識別發(fā)動機風扇外物撞擊事件。
美國于20世紀80年代就已開展了基于應(yīng)變測量的外物撞擊試驗與數(shù)值計算研究,通過大量試驗得出了懸臂葉片應(yīng)力變化規(guī)律與外物撞擊物半徑、質(zhì)量、撞擊角度、撞擊位置、撞擊速度之間的規(guī)律關(guān)系[7-9]。2009年10月,美軍利用基于葉尖定時原理的非接觸葉尖振動監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)動機上進行飛行試驗,使用這套系統(tǒng)對鷂式飛機裝配的AV-8B發(fā)動機的壓氣機葉片振動進行了測量[9]。
自20世紀80年代中期以來,英國馬可尼研究中心開展了高分辨率雷達的深入研究,將其應(yīng)用于吸入發(fā)動機異物的檢測與分類,并在Spey101發(fā)動機上開展了大量外物撞擊試驗,結(jié)果表明基于雷達的外物撞擊監(jiān)測系統(tǒng)能夠檢測到所有的損傷性異物碎片,并能對82%的異物類型進行正確分類[10-11]。但這種外物撞擊識別方法僅能識別外物撞擊發(fā)生的時間,不能精確識別發(fā)生外物撞擊事件位置等信息。羅羅公司于2008年在Spey101發(fā)動機上開展大量外物撞擊試驗,驗證基于葉尖定時原理的非接觸葉尖振動外物撞擊監(jiān)測報警系統(tǒng)的外物撞擊識別能力;同時,該公司計劃在裝有RB199發(fā)動機的Tomado F3飛機飛行試驗中,進行外物撞擊監(jiān)測報警系統(tǒng)的試飛[12]。該監(jiān)測識別系統(tǒng)中的非接觸葉尖振動測量采用電渦流傳感器實現(xiàn)葉片到達時刻的測量,這種傳感器的信號受發(fā)動機機匣與環(huán)境因素影響較大,使外物撞擊監(jiān)測及報警正確率受限;此外,該研究未建立發(fā)動機風扇外物撞擊識別方法。
中國的發(fā)動機外物撞擊研究中,文獻[13-16]開展了外物損傷模擬及疲勞強度的預測試技術(shù),并采用空氣炮發(fā)射外物撞擊靜止的平板葉片,研究葉片外物撞擊的宏觀與微觀損傷特征。關(guān)玉璞等[17-19]在靜止狀態(tài)整級風扇葉片的外物撞擊試驗和測試儀器的設(shè)計及使用等方面進行了深入的研究。
通過文獻分析發(fā)現(xiàn),中國的航空發(fā)動機外物撞擊研究鮮見關(guān)于一般外物撞擊高速旋轉(zhuǎn)風扇轉(zhuǎn)子的試驗規(guī)律研究,亦少有關(guān)于外物撞擊風扇轉(zhuǎn)子葉片是否發(fā)生和撞擊時刻、撞擊位置識別方法的研究。筆者通過風扇葉片外物撞擊試驗平臺模擬真實發(fā)動機葉片受到外物撞擊的過程,采用基于葉尖定時的非接觸式葉尖振動測量方法獲取葉片振動信號,對葉片振動信號進行分析研究判斷葉片是否發(fā)生外物撞擊、撞擊的時刻及撞擊的位置,而單純通過葉片原始振動信號很難給出確切的結(jié)論。因此,提出基于非接觸葉尖振動位移方差分析的方法對葉片振動信號進行辨識,進而得到關(guān)于風扇葉片外物撞擊事件的確切結(jié)論。
風扇葉片外物撞擊試驗平臺可以模擬發(fā)動機葉片受到不同材料、不同尺寸及不同質(zhì)量外物撞擊的實際過程。如圖1為建立的發(fā)動機風扇葉片外物撞擊模擬試驗平臺照片,該試驗平臺的風扇轉(zhuǎn)子為整體葉盤式結(jié)構(gòu),單級單轉(zhuǎn)子12個葉片,葉片葉尖直徑為600 mm,風扇葉片進口輪轂比為0.667,葉盤厚度為50 mm,設(shè)計最大轉(zhuǎn)速為6 000 r/min,設(shè)計壓比為1.06,設(shè)計效率為0.84,設(shè)計流量為9.5 kg/s[20]。
航空發(fā)動機在工作過程中以某一軸向速度吸入外物撞擊至風扇葉片進而產(chǎn)生外物撞擊事件,為模擬此外物撞擊過程,研制了如圖2所示的外物發(fā)射裝置,該裝置能夠以不同角度、不同速度發(fā)射不同材質(zhì)、不同質(zhì)量的外物彈體撞擊處于正常工作狀態(tài)下的風扇轉(zhuǎn)子。在開展風扇外物撞擊試驗之前,在外物發(fā)射裝置上對不同材質(zhì)、不同尺寸和不同質(zhì)量的外物彈體進行速度標定試驗,確定了外物發(fā)射裝置彈簧壓縮量與發(fā)射速度之間的對應(yīng)關(guān)系。外物發(fā)射裝置的最大發(fā)射速度為30 m/s,滿足發(fā)動機風扇外物撞擊試驗的基本要求。
圖2 外物發(fā)射裝置
針對發(fā)動機在實際工作過程中會遇到各種不同材料與不同尺寸的外物撞擊事件這一情況,設(shè)計如圖3所示的不同材料與不同尺寸的外物彈體撞擊工作過程中的風扇轉(zhuǎn)子,以此模擬發(fā)動機工作過程中的外物撞擊事件。表1為塑料和鋼材質(zhì)外物彈體的詳細參數(shù)。
圖3 外物彈體照片
表1 外物彈體詳細參數(shù)
為了獲取外物撞擊發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子葉片過程中的詳細數(shù)據(jù),建立了如圖4所示的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包含非接觸葉尖振動測量模塊、高速攝像采集模塊、葉片動應(yīng)變測量模塊、試驗平臺軸承支座振動測量模塊和風扇轉(zhuǎn)子高速動平衡模塊。為驗證非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)對外物撞擊轉(zhuǎn)子葉片過程中葉尖振動異常識別的準確性,采用高速攝像系統(tǒng)捕捉外物撞擊風扇葉片的過程;同時,在每個葉片的葉背表面改裝應(yīng)變計,通過應(yīng)變采集系統(tǒng)獲取撞擊過程中葉片表面的動應(yīng)變變化。
1.2.1 非接觸葉尖振動測量原理及測量系統(tǒng)
航空發(fā)動機風扇外物撞擊識別技術(shù)通過安裝于風扇的機匣之上非接觸式葉尖振動位移傳感器實現(xiàn)外物撞擊監(jiān)測識別,采用基于葉尖定時原理的方法獲取葉尖振動位移信號,對風扇轉(zhuǎn)子葉片葉尖振動位移的實時監(jiān)測判別發(fā)動機風扇葉片是否發(fā)生外物撞擊事件。
根據(jù)文獻[21-23]的分析研究,光學傳感器在葉尖定時測振系統(tǒng)中占很大比重。光學系統(tǒng)測振的工作原理是將1個窄激光束射向通過的葉片葉尖,當葉片葉尖進入光束路徑時,光線被反射到1個成像傳感器;當葉片通過時,反射光強會迅速提高;當不存在結(jié)構(gòu)振動時,某個特定葉片葉尖到達光纖探頭的時間(葉片到達時間)僅取決于轉(zhuǎn)速;但當葉片存在振動時,其到達時間就取決于轉(zhuǎn)速和振動帶來的位移,由此可以計算得到葉片的振動。而這種測振系統(tǒng)的耐高溫程度是由光學傳感器決定的。
基于葉尖定時(Blade Tip Timing, BTT)原理的非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動測量是將多個非接觸傳感器沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機械相對靜止的機匣上,利用傳感器感受在它前面通過的旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的脈沖信號。由于葉片振動,葉尖相對于轉(zhuǎn)動方向會向前或向后偏移,使得葉片每次到達的實際時間與無振動的期望值不相等,即脈沖到達時間會隨葉片振動發(fā)生微小提前或滯后,結(jié)合葉片半徑、轉(zhuǎn)速等易得出每支傳感器拾取的振動位移量[24]。
當外物撞擊發(fā)動機風扇葉片時,會對葉片施加一沖擊作用,該沖擊作用會強迫高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生瞬態(tài)振動,瞬態(tài)振動會使葉片旋轉(zhuǎn)瞬時角速度發(fā)生微小波動,從而使被撞擊葉片到達傳感器位置的時刻出現(xiàn)偏差,通過對比到達時刻偏差或葉尖振動位移從而識別出發(fā)動機風扇葉片是否遭遇外物撞擊事件[5]。圖5為基于葉尖定時原理的發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子葉片實測葉尖定時信號重構(gòu)原理圖。
圖5 基于葉尖定時的振動信號測量原理圖
由于非接觸式葉尖振動傳感器不破壞發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、改裝難度較小、對到達時刻偏差和葉尖振動響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點,成為檢測識別發(fā)動機風扇外物撞擊的主要選擇[25-26]。采用基于葉尖定時原理的發(fā)動機風扇外物撞擊識別非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)主要由非接觸葉尖振動位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、光電轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、實時監(jiān)測處理系統(tǒng)等部件構(gòu)成。
葉尖定時算法直接影響葉片振動位移等參數(shù)辨識的準確性,由葉尖定時測振原理可知,傳感器安裝角αi和葉片振動倍頻Ne共同決定傳感器對振動信號的采樣點位置,無論傳感器安裝角和振動倍頻多大,均可將Ne×αi規(guī)整到1個振動周期[0°,360°)內(nèi),從而得到所有傳感器在振動圓周內(nèi)采樣點的分布角,通過分布角的優(yōu)化分析可獲取最優(yōu)的傳感器布置方式[27]。通過非接觸傳感器角度布置的數(shù)值仿真,采用采樣點分布函數(shù)、明顯度與遍歷周期等評價指標對其布置角度進行評價,優(yōu)化設(shè)計出考慮風扇葉片葉尖直徑、弦長、葉片數(shù)等因素的四支傳感器(S0、S1、S2、S3)沿機匣布置的最佳角度[0°,127°,238°,319°],圖6(a)為葉尖振動傳感器沿機匣周向的布置圖;圖6(b)為轉(zhuǎn)速同步傳感器S4。對試驗平臺進行非接觸葉尖振動位移測量系統(tǒng)測試改裝,使其達到風扇外物撞擊試驗葉尖振動位移測量的要求。
圖6 非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)傳感器布置
1.2.2 高速攝像采集系統(tǒng)
在風扇轉(zhuǎn)子葉片外物撞擊模擬試驗中,需對外物撞擊風扇葉片及撞擊位置進行識別,作為衡量非接觸式葉尖振動測量系統(tǒng)對于發(fā)生撞擊葉片的識別準確率的標準。在風扇轉(zhuǎn)子外物撞擊試驗中,選用瑞士AOS高速相機對風扇轉(zhuǎn)子外物撞擊過程進行拍攝,該高速相機可滿足機載物分離測試應(yīng)用的需求,且自帶AOS Imaging Studio圖像采集存儲處理軟件。AOS Imaging Studio軟件支持直接將采集的圖像數(shù)據(jù)輸出到硬盤,可輸出的格式包括視頻文件、圖像文件和AOS原始文件;該軟件還提供一些實用的圖像處理功能,包括放大、旋轉(zhuǎn)、鏡像、白平衡、一維標定等,對于擴展的分析還有許多其他的圖像處理和運動分析包;同時,可以通過疊加時間標簽的方法精確控制圖像的時間,可以支持的類型包括IRIG-B、GPS等。圖7為高速攝像系統(tǒng)。
圖7 高速攝像系統(tǒng)
通過調(diào)節(jié)高速相機的曝光時間、幀數(shù)、成像尺寸及光照條件等參數(shù),使相機的成像質(zhì)量最優(yōu)。為便于高速攝像系統(tǒng)辨識風扇轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生外物撞擊事件的具體位置,對風扇轉(zhuǎn)子所有葉片進行如圖6(a)所示的1#~12#編號,以轉(zhuǎn)速測量傳感器起始點對應(yīng)的葉片為1#初始葉片,沿風扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的反方向?qū)θ~片進行依次編號。以高速相機采集工作狀態(tài)的葉片及葉盤,圖8為風扇轉(zhuǎn)子以4 000 r/min工作的條件下,高速相機成像尺寸900×700、曝光50 μs、幀數(shù)2 000 fps時拍攝采集到的相鄰時刻的風扇轉(zhuǎn)子葉片及葉盤。通過分析發(fā)現(xiàn),不同時刻風扇轉(zhuǎn)子的葉片、葉盤及葉片編號清晰可見,滿足風扇葉片外物撞擊試驗的撞擊過程采集要求。
圖8 風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時高速攝像系統(tǒng)捕捉到的圖片
采用基于葉尖定時原理的非接觸葉尖振動測量方法對風扇轉(zhuǎn)子葉片進行實時葉尖振動位移測量,通過對轉(zhuǎn)子葉尖振動位移的實時監(jiān)測與辨識解決了風扇轉(zhuǎn)子外物撞擊識別困難的問題。對風扇轉(zhuǎn)子所有葉片進行編號(1#~12#),在風扇轉(zhuǎn)子工作過程中獲取不同傳感器(S0~S3)的葉尖振動位移信號,相同傳感器采集的葉尖振動位移隨葉片不同而變化,振動位移監(jiān)測信號通道與葉片編號一一對應(yīng),通過對不同葉片葉尖振動位移信號的變化規(guī)律研究識別外物撞擊事件。
在外物撞擊風扇轉(zhuǎn)子事件過程中,風扇葉片葉尖振動位移隨著轉(zhuǎn)子運行而突然增大,且大的振動位移會持續(xù)較長時間;但在某些外物撞擊事件中,葉尖振動位移增大不夠明顯,且不能通過人為明確判斷撞擊事件的發(fā)生與否。因此,針對發(fā)動機風扇葉片外物撞擊識別問題,提出了基于方差分析法的風扇葉片外物撞擊識別研究方法,該方法能夠?qū)⑼馕镒矒羰录a(chǎn)生的葉尖振動位移變化異常趨勢放大,使外物撞擊事件更易于被辨識,該方法的具體研究過程如圖9所示。
圖9 基于方差分析的風扇葉片外物撞擊識別
發(fā)動機風扇葉片發(fā)生外物撞擊時,會出現(xiàn)葉片振動突增現(xiàn)象,而風扇葉片葉尖的振動位移是其最佳檢測信號。通過非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)獲取風扇轉(zhuǎn)子外物未撞擊的穩(wěn)定狀態(tài)下典型轉(zhuǎn)速的葉尖振動位移,通過數(shù)理統(tǒng)計及分析研究其規(guī)律。
圖10為風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時16 mm/2.9 g外物彈體撞擊風扇轉(zhuǎn)子葉片后的葉尖振動位移響應(yīng),發(fā)生外物撞擊后,3#葉片的葉尖振動位移出現(xiàn)突增現(xiàn)象。非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取風扇轉(zhuǎn)子每個葉片的葉尖振動位移,可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子每個葉片的健康狀態(tài)實時監(jiān)控。
圖10 風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時16 mm/2.9 g外物彈體撞擊葉片的振動位移
設(shè)風扇轉(zhuǎn)子葉片的葉尖振動位移信號為X(t),Xj表示某時刻葉尖振動位移值,對葉尖振動位移信號進行分段滑動,滑動時間窗口的數(shù)據(jù)長度為N,滑動寬度為ΔN,數(shù)據(jù)窗口每滑動1次,對數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)計算方差,由此形成葉尖振動位移的方差序列S(i),方差的計算公式為
(1)
(2)
獲取風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速4 000 r/min時外物未撞擊穩(wěn)定狀態(tài)下的葉尖振動位移,通過方差分析得到該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下1#葉片對應(yīng)的不同傳感器S0~S3的葉尖振動位移方差分布,如圖11所示。
圖11 風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時1#葉片葉尖振動位移方差分布
對風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時的1#葉片對應(yīng)的S0傳感器非接觸葉尖振動位移的方差進行數(shù)理統(tǒng)計分析,得到如圖12所示的S0非接觸葉尖振動位移方差頻率直方圖。通過分析發(fā)現(xiàn),S0傳感器的非接觸葉尖振動位移方差近似服從三參數(shù)威布爾分布。
圖12 風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時1#葉片S0振動位移方差頻率直方圖
圖13為1#葉片的S0傳感器非接觸葉尖振動位移方差的威布爾概率累積分布。通過假設(shè)檢驗證明,風扇轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的不同傳感器葉尖振動位移的方差均服從威布爾分布。
圖13 葉尖振動位移方差的威布爾概率累積分布
采用三參數(shù)威布爾分布對非接觸葉尖振動位移方差進行可靠性參數(shù)估計[28-29],三參數(shù)威布爾分布函數(shù)為
(3)
式中:s為葉尖振動的位移方差,s>0;β為形狀參數(shù),β>0;η為尺度參數(shù),η>0。
概率密度函數(shù)為
(4)
相應(yīng)的可靠性函數(shù)為
(5)
失效率函數(shù)為
(6)
對威布爾分布模型進行參數(shù)估計的時候,可根據(jù)隨機樣本估計得到相應(yīng)的可靠度。在計算經(jīng)驗可靠度的過程中,當樣本容量較小時采用近似中位秩公式計算經(jīng)驗可靠度[30-31]以減小計算誤差,其表達式為
R(s)=1-(i-0.3)/(n+0.4)
(7)
式中:i為樣本數(shù)據(jù)的排列次序;n為參與可靠度評估分析的樣本總數(shù)。
威布爾分布函數(shù)參數(shù)在樣本容量較小時,為減小誤差,采用極大似然估計法[32]對函數(shù)參數(shù)值進行估計。
設(shè)樣本總體si-Weibull(β,η),s1,s2,…,sn為n個葉尖振動位移方差值,則其似然函數(shù)為
(8)
對式(8)兩邊同時取對數(shù)得到似然函數(shù)的對數(shù)表達式為
(9)
對式(9)關(guān)于η、β求偏導并令其為0,得
(10)
(11)
不同發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時,給定時間窗內(nèi)的非接觸葉尖振動位移方差s不同;同一風扇轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下,方差s相差也很大,因此不能使用固定的門限值對葉尖振動位移的方差值進行檢測,采用如圖14所示的隨風扇轉(zhuǎn)子狀態(tài)改變而變化的自動門限在線檢測系統(tǒng)。
圖14 自動門限在線檢測系統(tǒng)
針對發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)工作過程,非接觸葉尖振動位移方差服從威布爾分布,對其進行總體極大似然估計,獲取可靠度為99.99%的外物撞擊風扇葉片的葉尖振動位移方差檢測門限。圖15 為風扇轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下S0~S3傳感器葉尖振動位移方差外物撞擊檢測閾值分布。
圖15 不同風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的葉尖振動位移方差閾值分布
在開展航空發(fā)動機風扇葉片外物撞擊模擬試驗之前,將基于葉尖定時原理的非接觸葉尖振動測量系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)的系統(tǒng)時間進行統(tǒng)一,確保各個系統(tǒng)之間試驗結(jié)果相互對應(yīng)。對風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的狀態(tài)下,外物彈體直徑為16 mm、質(zhì)量為2.9 g外物撞擊的葉片葉尖振動位移信號的方差數(shù)據(jù)進行分析,在該試驗過程中連續(xù)發(fā)射5顆白色塑料外物彈體撞擊風扇葉片的相同位置。圖16為連續(xù)發(fā)射外物彈體撞擊風扇葉片過程中各葉片的葉尖振動位移方差值分布,圈碼表示風扇轉(zhuǎn)子發(fā)生外物撞擊的順序與次數(shù)。采用基于非接觸葉尖振動位移方差分析的方法得到該轉(zhuǎn)速下不同傳感器的外物撞擊振動位移方差閾值分布對其振動位移方差進行在線檢測,非接觸葉尖振動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到5次葉片振動位移方差超過判定閾值,按出現(xiàn)的順序分別為7#、8# & 9#、11#、10#、12#葉片。
圖16 風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時16 mm/2.9 g的外物彈體撞擊葉片的振動位移方差
采用高速攝像系統(tǒng)對外物撞擊風扇轉(zhuǎn)子葉片的過程進行詳細記錄。圖17為高速攝像系統(tǒng)采集到的第1次外物撞擊風扇葉片的過程,白色外物彈體與風扇轉(zhuǎn)子相撞于7#葉片,且撞擊時刻與采用基于方差分析的方法判定的第1次相撞于7#葉片的時刻相吻合。圖18為高速攝像系統(tǒng)采集到的第2次外物撞擊風扇葉片的過程,白色外物彈體與風扇轉(zhuǎn)子相撞于8#葉片葉尖,然后彈至機匣并再次彈至葉片通道,繼續(xù)與9#葉片相撞,被撞碎后飛出;采用基于方差分析的方法判定的第2次外物彈體先后相撞于8#和9#葉片,與高速攝像系統(tǒng)捕捉到的外物撞擊過程完全一致。
圖17 高速相機拍攝的第1次外物撞擊風扇葉片過程
圖18 高速相機拍攝的第2次外物撞擊風扇葉片過程
對風扇轉(zhuǎn)子典型轉(zhuǎn)速下的外物撞擊試驗結(jié)果進行分析,得到如表2所示的基于葉尖振動位移方差分析方法和高速攝像系統(tǒng)的外物撞擊識別結(jié)果對比,基于葉尖振動位移方差分析方法的外物撞擊識別準確率為97.4%。風扇轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 狀態(tài)時,基于葉尖振動位移方差分析方法對12 mm/1.25 g外物撞擊事件存在部分無法識別的問題,這是由于在給定風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下,存在最小的可識別外物質(zhì)量。
表2 基于葉尖振動位移方差分析和高速攝像系統(tǒng)的外物撞擊識別結(jié)果
通過高速攝像系統(tǒng)捕捉外物撞擊風扇轉(zhuǎn)子葉片過程驗證了基于非接觸葉尖振動位移方差分析的外物撞擊在線檢測方法的正確性和可靠性,該方法同時也適用于外物撞擊多個風扇轉(zhuǎn)子葉片的外物撞擊事件檢測。
1)針對航空發(fā)動機的總線抽引參數(shù)和加裝振動傳感器參數(shù)對風扇外物撞擊事件識別難度高的問題,開展了基于非接觸風扇葉片葉尖振動測量的外物撞擊檢測試驗,并實現(xiàn)了基于非接觸葉尖振動位移方差分析的風扇外物撞擊檢測與識別。
2)構(gòu)造了基于極大似然估計威布爾參數(shù)的風扇葉片外物撞擊葉尖振動位移方差的檢測算法,并獲取了99.99%可靠度下的風扇轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下傳感器葉尖振動位移方差檢測閾值。
3)對風扇轉(zhuǎn)子典型轉(zhuǎn)速下的外物撞擊試驗結(jié)果進行分析,基于葉尖振動位移方差分析方法的外物撞擊識別準確率為97.4%。
4)通過對高速攝像系統(tǒng)捕捉的風扇轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)及不同外物尺寸的撞擊瞬間過程分析,基于非接觸葉尖振動位移方差分析的外物撞擊在線檢測方法可辨識外物撞擊事件、撞擊位置、撞擊葉片數(shù)量等信息。
致 謝:
感謝西安市閻良區(qū)西飛二中趙婧雯老師在論文撰寫過程中提供的幫助。