張立輝

摘 要：該文首先對(duì)故障診斷系統(tǒng)的組成進(jìn)行介紹，對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成進(jìn)行分析，對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的基本流程進(jìn)行研究和探討，以期對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)水平的提升，以及渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行起到一定的幫助作用。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) 故障診斷 監(jiān)視 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0043-01

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視及故障診斷是一個(gè)集合了數(shù)據(jù)采集、信息處理分析以及故障報(bào)警等功能的綜合系統(tǒng)，基本具備監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件的健康狀況，如有故障及時(shí)隔離，利用采集及處理數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)不僅可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，及時(shí)向工作人員發(fā)出警告；而且還可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況進(jìn)行離線評(píng)價(jià)，對(duì)具體的故障類型進(jìn)行診斷，確定故障所處的具體位置，為發(fā)動(dòng)機(jī)檢查、維修提供理論依據(jù)。近些年，故障診斷系統(tǒng)在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和研發(fā)過程中得到廣泛應(yīng)用。該文對(duì)有關(guān)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷進(jìn)行研究和探討，不足之處，敬請(qǐng)指正。

1 故障診斷系統(tǒng)的組成

故障診斷系統(tǒng)必須要具備性能監(jiān)視及故障診斷的功能，其中性能監(jiān)視是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)測(cè)量參數(shù)的再現(xiàn)及檢查，排除由于測(cè)量系統(tǒng)本身而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失效。實(shí)際上，故障診斷過程是通過氣路分析法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)某一部件性能發(fā)生變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算和分析，以此判斷出其異常原因，對(duì)故障位置進(jìn)行定位，從而確定故障的模式。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)基數(shù)數(shù)學(xué)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)非線性性能模型、故障樹查詢數(shù)據(jù)庫等模塊。為了達(dá)到這些要求，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、故障樹結(jié)構(gòu)以及與用戶友好界面設(shè)計(jì)。具體而言，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)包括以下幾個(gè)功能子系統(tǒng)，分別是試車數(shù)據(jù)再現(xiàn)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷子系統(tǒng)，故障樹管理子系統(tǒng)、系統(tǒng)用戶管理子系統(tǒng)以及報(bào)告生成子系統(tǒng)。

具體而言，監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)包括三個(gè)組成部分，分別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)以及診斷輸出系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可以周期性的在被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上被選定測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)、溫度、噪音等數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。具體而言，故障診斷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括傳感器、放大器、A/D接口板、計(jì)算機(jī)、磁帶記錄儀、示波器。

2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成

某型號(hào)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用在新型直升機(jī)上的動(dòng)力設(shè)備，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)同渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)是比較相近的，二者都是由渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的原理演變而來，只不過后者將風(fēng)扇變成了螺旋槳，前者是把風(fēng)扇變成了直升機(jī)的旋翼。除此之外，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)也有一些特點(diǎn)：一般裝有自由渦輪（也就是不帶動(dòng)壓氣機(jī)），而且主要應(yīng)用于直升機(jī)和垂直/短距起落飛機(jī)上。在構(gòu)造方面，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)具備進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管等燃?xì)獍l(fā)生器基本構(gòu)造，然而也裝備自由渦輪，如圖所示。前面是兩級(jí)普通渦輪，負(fù)責(zé)帶動(dòng)壓氣機(jī)，并且維持發(fā)動(dòng)機(jī)工作；后面二級(jí)是自由渦輪，負(fù)責(zé)燃?xì)庾鞴?，利用傳?dòng)軸來帶動(dòng)直升機(jī)的旋翼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使其升空飛行。除此之外，渦輪流出來的燃?xì)夥治?，?jīng)過尾噴管噴出之后可產(chǎn)生一定的推力，由于噴速太小，所以推力也不大，如果折合為功率，也僅僅是總功率的1/10。有時(shí)噴速太小，甚至是無推力。為了對(duì)直升機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理安排，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口可以向上、向下、兩側(cè)，這樣構(gòu)造是有利于直升機(jī)設(shè)計(jì)總體安排。

3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的基本流程

在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中一些關(guān)鍵部件都屬于旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，比如說壓氣機(jī)、渦輪以及自由渦輪等，而且其都屬于高速機(jī)組。數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，這些部件發(fā)生故障的概率會(huì)比較高，因此對(duì)這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行相關(guān)故障問題的診斷和分析具有一定的典型和代表意義。下文主要針對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行相關(guān)故障診斷分析。

在此之前先了解診斷的基本概念，診斷實(shí)際上來源于醫(yī)學(xué)，在我國的中醫(yī)理念中診斷是由“望、聞、問、切，辯癥施治”八字訣總結(jié)的一種醫(yī)學(xué)原理和過程。其中可以細(xì)分為兩個(gè)過程，一個(gè)是診，就是提取信號(hào)特征然后對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行分析；而斷是對(duì)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，然后做出決策。具體分析，機(jī)械故障診斷就是在動(dòng)態(tài)的情況通過機(jī)械設(shè)備劣化進(jìn)程中產(chǎn)生的一些信息，包括振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、流量、潤滑狀態(tài)以及其他指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)其故障進(jìn)行診斷。具體而言，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的基本流程包括以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行選擇。

首先，選擇對(duì)壓氣機(jī)影響較大，或者說是最敏感的數(shù)據(jù)參數(shù)，以此作為檢測(cè)參量。壓氣機(jī)屬于高速機(jī)組，在運(yùn)行過程中最頻繁的故障是喘振。這種故障是由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流體壓力失穩(wěn)而產(chǎn)生，這種故障屬于自激振動(dòng)。因此對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行故障診斷分析采用的檢測(cè)參量是振動(dòng)頻率。

（2）信號(hào)采集。

信號(hào)采集實(shí)際上就是對(duì)壓氣機(jī)的振動(dòng)頻率進(jìn)行采集。采用某型號(hào)的便攜式振動(dòng)計(jì)對(duì)壓氣機(jī)的振動(dòng)頻率進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)輸出。

（3）狀態(tài)參數(shù)識(shí)別。

利用對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行識(shí)別，將待檢模式和樣板模式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)待檢設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。一般惡言，喘振的識(shí)別特征總結(jié)為：①振動(dòng)頻率一般在0.1Hz之內(nèi)；②壓力表有大幅度的波動(dòng)；③功率表所指功率呈現(xiàn)出周期性變化；④有噪音產(chǎn)生。

（4）診斷決策及分析輸出。

監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)對(duì)于壓氣機(jī)現(xiàn)階段狀態(tài)按照判別結(jié)果采取對(duì)應(yīng)的措施。如果發(fā)生喘振及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行相關(guān)干預(yù)措施。喘振一般是由于流入壓氣機(jī)中的空氣流量急劇減小從而使得流量系數(shù)不大于設(shè)計(jì)流量系數(shù)而造成的，喘振發(fā)生的最本質(zhì)的原因是由于流量系數(shù)減小。因此說避免出現(xiàn)喘振，就要避免流量系數(shù)減小。避免流量系數(shù)減小的最根本的措施有兩種，中間級(jí)放氣或者旋轉(zhuǎn)靜止葉片。利用這兩種方法對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行處理可以達(dá)到預(yù)期效果，可以有效避免喘振的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

總之，故障診斷技術(shù)應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)方面是非常有意義的，能夠在其已經(jīng)發(fā)生故障，或者是要發(fā)生故障但是還未發(fā)生時(shí)就把故障檢測(cè)出來，利用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)其實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行識(shí)別，以此診斷出故障的特點(diǎn)、原因以及具體的位置，以此采取對(duì)應(yīng)措施以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全，從而減少經(jīng)濟(jì)損失。

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