空氣渦輪起動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)診斷的STFT分析

熊欣,喬思佳,朱鈺玨,蔣聰,任悅,臧朝平

(1. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心,江蘇 南京 211106;2. 空軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室,江蘇 南京 211106;3. 海軍指揮學(xué)院 外訓(xùn)大隊(duì)翻譯室,江蘇 南京 210016;4. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引言

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)(air turbine starter, ATS)屬于飛機(jī)第二動(dòng)力系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。在高溫、高轉(zhuǎn)速的苛刻運(yùn)行條件下,空氣渦輪起動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生異常振動(dòng)。渦輪轉(zhuǎn)子是起動(dòng)機(jī)的核心部件,相較于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子,其轉(zhuǎn)速更高,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大,一旦振動(dòng)異常會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子破裂等極端情況,高能、高速的碎片可能會(huì)擊穿包容結(jié)構(gòu),破壞飛機(jī)的集成電源、液壓管路等,嚴(yán)重危及飛行安全[1]。

該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和殼體系統(tǒng)組成,其中,渦輪轉(zhuǎn)子及齒輪系統(tǒng)組成的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是最主要的振動(dòng)源。在產(chǎn)品交付前,起動(dòng)機(jī)需要先后通過(guò)磨試、檢試、質(zhì)檢三道實(shí)驗(yàn)流程以確保其達(dá)到出廠要求。試驗(yàn)中時(shí)常因振動(dòng)幅值偏大出現(xiàn)產(chǎn)品異常振動(dòng)的情況,偶爾甚至出現(xiàn)渦輪碰磨、輸出軸斷裂、內(nèi)部異常磨損等故障現(xiàn)象[2],嚴(yán)重故障時(shí)起動(dòng)機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而使航空發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)。起動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是持續(xù)的升速過(guò)程,無(wú)恒轉(zhuǎn)速工況,呈現(xiàn)明顯的時(shí)變特性。雖然目前國(guó)內(nèi)對(duì)于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性、故障模式以及剩余壽命已有許多研究[3-5],但對(duì)于起動(dòng)過(guò)程中的時(shí)變特征仍需進(jìn)一步研究。因此建立空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在變轉(zhuǎn)速工況下的異常振動(dòng)診斷分析方法就尤為重要。有多種時(shí)頻分析方法可用于非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的分析,如短時(shí)傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波分析等[6]。其中,短時(shí)傅里葉變換由于其簡(jiǎn)單、高效,在各工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-10]。本文采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)起動(dòng)機(jī)交付前的試驗(yàn)中正常狀態(tài)及異常狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從異常狀態(tài)的時(shí)頻譜表現(xiàn)對(duì)導(dǎo)致振動(dòng)異常的原因進(jìn)行診斷分析。

1 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析方法

1.1 短時(shí)傅里葉變換

在對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí),通常采用基于傅里葉變換的功率譜密度指標(biāo)對(duì)振動(dòng)水平進(jìn)行評(píng)估,但對(duì)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)而言,其工作過(guò)程為持續(xù)升速過(guò)程,伴有非平穩(wěn)特征。傅里葉變換僅能展現(xiàn)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)頻域特征,無(wú)法應(yīng)用于時(shí)變過(guò)程的振動(dòng)特征提取。為解決此問(wèn)題,本文采用加窗的傅里葉變換,即短時(shí)傅里葉變換(short time fourier transform, STFT)對(duì)起動(dòng)機(jī)的時(shí)變振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。通過(guò)在信號(hào)上添加滑移時(shí)間窗,對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段采樣,對(duì)每組信號(hào)進(jìn)行局部的傅里葉變換。短時(shí)傅里葉變換的定義為[10]

(1)

h(t)為窗函數(shù),其值為1時(shí),短時(shí)傅里葉變換還原為傅里葉變換。對(duì)于給定的時(shí)間t,STFT(t,f)可看作是該時(shí)刻的頻譜,它的時(shí)間分量對(duì)應(yīng)于窗口在平移過(guò)程中其中心所處的各個(gè)位置。每個(gè)不同的時(shí)間均可獲得一個(gè)獨(dú)立的頻譜,能夠反映該時(shí)刻的信號(hào)特征,稱之為切片譜。

窗函數(shù)的類型及窗的寬度對(duì)短時(shí)傅里葉變換的分析結(jié)果有顯著影響,常見的窗函數(shù)類型有矩形窗、高斯窗、海明窗等。受海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的制約,窗函數(shù)的時(shí)寬和帶寬無(wú)法同時(shí)達(dá)到任意小,因此無(wú)法在時(shí)間分辨率和頻率分辨率上同時(shí)達(dá)到最優(yōu)解[11]。

在Matlab中對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí),采用spectrogram函數(shù)繪制短時(shí)傅里葉頻譜圖,給定信號(hào)、窗函數(shù)、fft點(diǎn)數(shù)以及采樣率的情況下,能夠輸出信號(hào)的能量譜密度(PSD)。為得到能夠反映主要頻率特性的頻譜圖,需要根據(jù)信號(hào)特征對(duì)窗函數(shù)進(jìn)行選擇并進(jìn)行濾波。根據(jù)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的信號(hào)特征以及采樣頻率,選擇窗函數(shù)類型為海明窗,窗寬度為1 000,為濾除背景噪聲,將頻譜中PSD值小于最大值15%的頻率成分進(jìn)行濾除。

1.2 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及常見故障

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和殼體系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由渦輪轉(zhuǎn)子、齒輪系統(tǒng)(包括主動(dòng)齒輪、雙聯(lián)齒輪以及環(huán)形齒輪等)和軸承組成;靜子系統(tǒng)主要由導(dǎo)向器殼體、進(jìn)氣殼體、渦輪殼體、安裝殼體、軸承座以及密封座襯蓋等部件裝配組成。

近10年的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)維修數(shù)據(jù)表明,異常振動(dòng)主要來(lái)源于起傳動(dòng)作用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),如圖1所示。高頻振動(dòng)出現(xiàn)的故障有以下幾種:輸出軸斷裂、渦輪失穩(wěn)碰擦、內(nèi)部異常磨損等。不同的故障會(huì)在頻譜上表現(xiàn)為不同的部件轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或嚙合頻率。以渦輪轉(zhuǎn)頻為1倍頻,該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和齒輪嚙合頻率見表1。

表1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各部件轉(zhuǎn)頻及嚙合頻率

圖1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

1.3 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析流程

通常,對(duì)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí),采用低通濾波的方式保留2 000Hz內(nèi)的振動(dòng)信息,使用時(shí)域加速度譜線來(lái)進(jìn)行異常振動(dòng)的識(shí)別[2]。這種判斷方式能夠有效識(shí)別轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的異常振動(dòng),但是由于進(jìn)行了低通濾波,高頻的振動(dòng)信號(hào)如齒輪嚙合頻率或渦輪轉(zhuǎn)頻的高次諧波難以體現(xiàn)。本文分析振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí),不作低通濾波處理,以便保留高頻振動(dòng)的信息,信號(hào)分析流程如圖2所示。在對(duì)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)做短時(shí)傅里葉變換后,通過(guò)濾除振動(dòng)能量較低的成分(PSD值≤0.15×PSDmax值)以去除背景噪聲,保留主要振動(dòng)頻率成分,得到改進(jìn)的短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜,同時(shí)在重點(diǎn)關(guān)注的轉(zhuǎn)速區(qū)間做切片譜。將正常狀態(tài)和異常狀態(tài)的短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜和切片譜進(jìn)行頻率成分的對(duì)比分析,從而實(shí)現(xiàn)異常振動(dòng)的成因分析。

圖2 振動(dòng)信號(hào)分析流程

2 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程異常振動(dòng)的短時(shí)傅里葉變換分析

振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的渦輪殼體上,采用加速度傳感器,布置位置如圖3所示,采樣頻率為25 600Hz。

圖3 加速度傳感器布置位置

以某次質(zhì)檢試驗(yàn)中測(cè)得的正常工作狀態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)為例,說(shuō)明信號(hào)分析流程,試驗(yàn)過(guò)程共持續(xù)28 s,渦輪從0加速到約79 500r/min。其加速度響應(yīng)原始數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 加速度響應(yīng)信號(hào)

采用窗長(zhǎng)度為1 000的海明窗,得到短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜如圖5所示,此時(shí)的時(shí)頻譜頻率成分雜亂,仍需進(jìn)一步處理。

圖5 短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜

在保留高頻振動(dòng)頻率成分同時(shí)濾除背景噪聲,對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。

1)僅截取渦輪轉(zhuǎn)速升至12 000r/min以上的時(shí)頻譜,對(duì)無(wú)振動(dòng)異常的低轉(zhuǎn)速區(qū)不做重點(diǎn)關(guān)注。

2)濾除振動(dòng)能量譜密度低于主要頻率成分15%的頻率成分。

經(jīng)處理的短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜如圖6所示,以渦輪轉(zhuǎn)頻為1倍頻,7種主要頻率成分信息見表2。

表2 頻率成分

圖6 改進(jìn)的短時(shí)傅里葉時(shí)頻譜

在時(shí)域譜中加速度較大的時(shí)刻做局部頻譜,即切片譜,對(duì)產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行分析,各轉(zhuǎn)速下的切片譜及主要頻率成分在圖7和表3中給出。

圖7 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)升速過(guò)程的切片譜

對(duì)其他12次正常工作狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用相同的分析方法,進(jìn)行正常工作狀態(tài)規(guī)律總結(jié):

1)渦輪轉(zhuǎn)速在以下4個(gè)區(qū)間時(shí),振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)局部峰值,27 000～31 000r/min,37 500～43 000r/min,49 000～59 000r/min,59 000r/min～最高轉(zhuǎn)速;

2)在較低轉(zhuǎn)速區(qū)間能夠采集到大量的齒輪嚙合及倍頻成分;

3)渦輪轉(zhuǎn)速在49 000～59 000r/min區(qū)間內(nèi)時(shí),轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速,可能出現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng),在超過(guò)此轉(zhuǎn)速范圍后,渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)大幅度減弱,如無(wú)明顯渦輪轉(zhuǎn)頻,則主要頻率成分為雙聯(lián)齒輪與環(huán)形齒輪的嚙合頻率;

4)渦輪轉(zhuǎn)速升至59 000r/min以上后,雙聯(lián)齒輪與環(huán)形齒輪的嚙合頻率占主導(dǎo)。

在試驗(yàn)流程中,有兩次試驗(yàn)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)異常,其時(shí)頻譜如圖8所示。

圖8 異常狀態(tài)時(shí)頻譜

將異常狀態(tài)的時(shí)頻譜進(jìn)行局部放大,如圖9所示。

圖9 異?，F(xiàn)象

從時(shí)頻譜及切片譜的對(duì)比分析中能看到,振動(dòng)異常狀態(tài)的時(shí)頻譜中渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)明顯或伴隨出現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)頻高次諧波。針對(duì)這兩種異常現(xiàn)象分析如下。

1)渦輪轉(zhuǎn)頻響應(yīng)明顯,且與轉(zhuǎn)速平方呈正相關(guān):轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生不平衡時(shí),理論上離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。但在轉(zhuǎn)子到軸承、軸承到殼體的振動(dòng)傳遞路徑上,存在軸承與轉(zhuǎn)子的接觸非線性以及連接非線性的影響,殼體上測(cè)得的振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的增加而加大,不一定與轉(zhuǎn)速平方完全成正比。

2)伴隨渦輪轉(zhuǎn)頻的3倍頻、4倍頻及非整數(shù)倍頻的諧波:通常研究認(rèn)為,若3倍頻處峰值最大,預(yù)示軸與軸承間存在松動(dòng);若4倍頻處有峰值,表明軸承本身松動(dòng)。同時(shí)松動(dòng)也可能表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子的半周期倍頻,如2.5倍頻等。起動(dòng)機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后,可能會(huì)由于軸徑磨損、軸承間隙過(guò)大、裝配偏差等原因產(chǎn)生松動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),存在振動(dòng)異常時(shí)將起動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解再裝配時(shí),能夠降低振動(dòng)幅值。在拆解再裝配的過(guò)程中,有時(shí)并未更換部件,或僅調(diào)換波浪圈來(lái)改變渦輪上角接觸球軸承的預(yù)緊力,這也驗(yàn)證了振動(dòng)異?？赡軄?lái)自于裝配的偏差或彈簧疲勞時(shí)預(yù)緊力降低導(dǎo)致的軸承松動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

空氣渦輪起動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)具有時(shí)變性,尤其是出現(xiàn)振動(dòng)異常時(shí),呈現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特征。本文采用短時(shí)傅里葉變換對(duì)起動(dòng)機(jī)正常及異常狀態(tài)下的時(shí)頻譜和切片譜進(jìn)行對(duì)比分析,找出了導(dǎo)致振動(dòng)異常的零部件及裝配因素。分析結(jié)果與試驗(yàn)中可能存在的裝配偏差形成了驗(yàn)證,能夠?yàn)榭諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)后續(xù)試驗(yàn)的異常振動(dòng)診斷提供一定的理論依據(jù)。