楊旭　張瑞

摘要：隨著航空發(fā)動機結構越來越復雜化，對發(fā)動機的安全性、可靠性提出了更高的要求。采用健康管理技術是保證航空發(fā)動機安全、穩(wěn)定、高效運行的重要手段，能夠及時有效的防止重大安全事故的發(fā)生，對保證發(fā)動機的安全有著重要意義。結合大型航空發(fā)動機機載振動監(jiān)測研制需求，提出了機載健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計關鍵點，根據(jù)機載振動監(jiān)測實時性要求，采用多線程技術設計了健康管理振動監(jiān)測軟件，實現(xiàn)了對發(fā)動機機載振動實時監(jiān)測告警的功能。并在某型發(fā)動機上完成了與地面振動采集設備的振動對比試驗，試驗結果表明機載健康管理振動監(jiān)測數(shù)據(jù)準確有效。

Abstract： With the increasing complexity of the structure of aero-engine， the higher safety and reliability of the engine are required. Health management technology is an important means to ensure the safety， stability and efficient operation of aero-engine， which can prevent the occurrence of major accidents in time and effectively. The health management vibration monitoring technology is very important for the safety of the aero-engine. The key points of the hardware design of the health management vibration monitoring system were put forward according to the development of airborne vibration monitoring system of the aero-engine. Based on the real-time requirement of airborne vibration， the vibration monitoring software was designed by using multi thread technology and realized the function of monitoring and warning of engine airborne vibration. Vibration contrast test of the equipment with foreign vibration was accomplished on the engine. Experiment results show that the data is accurate and effective.

關鍵詞：航空發(fā)動機;健康管理;振動;實時監(jiān)測;多線程

Key words： aero-engine;health management;vibration;real-time monitoring;multi thread

中圖分類號：V263.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0215-03

0 ?引言

經(jīng)多年的使用和大量的故障研究表明，發(fā)動機的故障對飛行安全有很大的影響，尤其在振動方面，發(fā)動機結構復雜，振動故障的模式多樣，振動故障一旦發(fā)生釀成事故，所造成的影響和后果也不堪設想[1][2]。因此對發(fā)動機的振動狀態(tài)的監(jiān)測與振動故障的診斷也受到各國的高度重視。國外有關資料報道，采用健康管理的方法，可發(fā)現(xiàn)發(fā)動機工作中的34%的機械故障[3]，節(jié)省75%的維修費用[4][5]。因此，健康管理振動監(jiān)測與分析已成為保證發(fā)動機安全的重要措施之一。

發(fā)動機健康管理技術主要監(jiān)測發(fā)動機參數(shù)、判斷發(fā)動機故障，這里主要針對發(fā)動機機載振動方面進行闡述。通過對發(fā)動機多點振動進行實時監(jiān)測，記錄不同狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)，以便采用多種分析手段獲取發(fā)動機的振動特征，為發(fā)動機振動故障模式判別打下堅實基礎，對保證飛行安全、提高飛機的完好出勤率將起到重要的作用。

目前，軍用發(fā)動機健康管理技術在航空發(fā)達國家已得到廣泛的應用，而我國大型軍用健康管理技術的應用研究還處于起步階段，特別是在發(fā)動機機載振動監(jiān)測和診斷技術方面[6]。本文針對大型軍用發(fā)動機，提出了發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測硬件設計要點，設計軟件實現(xiàn)了機載振動實時監(jiān)測與告警功能。

1 ?航空發(fā)動機振動監(jiān)測研制需求

機載振動監(jiān)測是航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)的重要組成部分，能夠為發(fā)動機故障診斷和壽命管理等重要功能的實現(xiàn)提供依據(jù)，是健康管理的重要功能之一，為航空發(fā)動機由定期維護向視情維護模式的轉換奠定了基礎。

航空發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)在飛行過程中連續(xù)的實時記錄發(fā)動機振動數(shù)據(jù)和其他參數(shù)，能夠對故障特征進行對比分析，并根據(jù)實時振動值向飛機座艙發(fā)出告警信息，飛行結束后，使用地面設備對存儲的振動信息進行回放分析。綜上所述，健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)的應具備如下功能：

①發(fā)動機振動信號進行實時采集和記錄;

②振動數(shù)據(jù)發(fā)送至飛機座艙實時顯示;

③監(jiān)控發(fā)動機振動狀態(tài)，出現(xiàn)振動故障時進行告警。

2 ?發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)設計

目前大型軍用發(fā)動機仍使用傳統(tǒng)監(jiān)測振動總量的方式進行監(jiān)控，不能對振動故障特征進行實時分析。本文針對某大型發(fā)動機，設計了健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)，提出了機載健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計要點，并設計了健康管理振動監(jiān)測軟件，實現(xiàn)對機載振動實時處理分析、告警與存儲的功能。

2.1 機載振動監(jiān)測硬件

機載健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由振動傳感器、振動采集單元、數(shù)據(jù)存儲單元組成。振動監(jiān)測系統(tǒng)中采用加速度振動傳感器。振動采集單元與數(shù)據(jù)存儲單元均為機載設備，采用國產(chǎn)自研方式實現(xiàn)硬件的研制。

健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)中采用的加速度傳感器，與傳統(tǒng)速度傳感器相比，具有體積小、質量輕、頻響范圍寬等優(yōu)點[7][8]。這里采用ENDEVCO加速度傳感器測量發(fā)動機風扇與渦輪位置的振動。

振動采集單元主要對振動信號進行處理，將壓電式傳感器發(fā)出的電荷信號轉換放大為時域電壓信號[9]，進行快速傅立葉變換和相關運算后輸出，振動采集單元主要由電荷放大器、濾波器、采集器、信號分析等部分組成。這里主要對振動采集單元硬件設計提出三項關鍵設計要點。

第一，需要設計高通濾波器。在發(fā)動機運轉狀態(tài)下，加速度振動傳感器易受到溫度影響，輸出類似直流電的信號，造成振動采集單元接收的振動信號過大，會在低頻區(qū)域產(chǎn)生影響。在試驗過程中出現(xiàn)了此類問題，發(fā)動機運行狀態(tài)下，在低頻區(qū)域出現(xiàn)了較大的振動幅值，直流分量加速度高達360G，影響振動的測量。所以在振動采集單元中需要設計高通濾波器，采集頻率下限設置應不小于1Hz。

第二，需要設計適當?shù)牡屯V波器和振動采集范圍。發(fā)動機運行環(huán)境復雜，會在高頻區(qū)域產(chǎn)生很高的加速度值，會出現(xiàn)信號飽和問題。如圖1所示，在發(fā)動機運行過程中，渦輪垂直測點測量的振動值出現(xiàn)異常。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于振動測量值振動總量過大，且直流分量過高，導致電荷放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。圖1中下方振動顯示由于電荷放大器逐漸恢復過程產(chǎn)生的波形。所以在設計硬件時需要采用合適的振動采集范圍，同時需要設計低通濾波器處理多余的過高的振動頻率幅值。

第三，設置合適的采樣頻率，避免混疊現(xiàn)象出現(xiàn)。信號處理部分主要完成快速傅立葉變換的工作，提取振動信號在特定頻率的幅值。在得到的原始振動數(shù)據(jù)的頻譜中，除需關注的對應故障特征的振動頻率外，還可能包含很多其他成分，且信號的幅值較大，需要進行處理。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率必須大于所采樣信號帶寬的二倍時[10]，才能避免出現(xiàn)信號混疊現(xiàn)象。所以，在硬件設計中，需要根據(jù)信號帶寬，選擇合適的采樣頻率。在工程應用中，一般使用采集帶寬的四倍作為采樣頻率[11]，才能準確測量振動。

2.2 健康管理振動監(jiān)測軟件設計

健康管理振動監(jiān)測軟件主要實現(xiàn)振動信號處理分析、實時顯示、實時告警和振動數(shù)據(jù)存儲的功能，存儲數(shù)據(jù)包括振動信號基頻，振動特征倍頻，同時記錄對應時刻的轉速、溫度等重要參數(shù)。

發(fā)動機機載振動告警的延遲可能導致飛機不可挽回的重大事故[12]，所以機載振動告警必須具有高實時性。但同時要采集、存儲發(fā)動機振動數(shù)據(jù)，這將占據(jù)系統(tǒng)的時間，在與保證實時性方面存在矛盾。所以，這里采用多線程技術解決振動監(jiān)測實時性問題[13][14]。多線程技術，即在一段時間內(nèi)并行執(zhí)行多個任務，該技術能夠有效的提高執(zhí)行效率[9]。機載振動監(jiān)測軟件包括數(shù)據(jù)接收、處理分析和數(shù)據(jù)存儲三個任務，使用多線程思想，在一段時間內(nèi)并行執(zhí)行，加快程序的反應速度，保證系統(tǒng)的實時性要求。系統(tǒng)具體的設計流程如圖2所示。

健康管理振動監(jiān)測軟件采用緩沖池[15]存放接收到的數(shù)據(jù)，并使用信號量機制完成多線程的操作。健康管理振動監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)接收任務采用端口監(jiān)聽方式接收數(shù)據(jù)包，將解析數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖池中。處理分析任務完成于故障特征的符合性分析，當振動超限時，發(fā)出告警信號。數(shù)據(jù)存儲任務主要實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的存儲功能，通過從數(shù)據(jù)緩沖池中獲取數(shù)據(jù)，并將所需數(shù)據(jù)進行記錄。系統(tǒng)設置了時間片輪轉的調度方式，優(yōu)先級以及周期時間等屬性。同時為保證數(shù)據(jù)的實時性，數(shù)據(jù)接收任務設置最高的優(yōu)先級。在保證數(shù)據(jù)準確的前提下，執(zhí)行處理分析任務。數(shù)據(jù)存儲任務設置最低的優(yōu)先級，在其他任務完成后在空閑時間完成該任務。

3 ?試驗驗證

為驗證航空發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)，將上述設計系統(tǒng)與地面振動采集設備進行對比試驗。

3.1 試驗方案

在某型發(fā)動機上使用機載健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)測量振動值，同一時段使用地面振動采集設備（MEGGITT公司數(shù)據(jù)采集卡與分析軟件）對相同位置振動傳感器信號進行測量，將兩組測量結果進行對比分析。試驗方案連接如圖3所示。

由于發(fā)動機不同的時刻相同的轉速下的振動值不相同，需要同時測量。但由于壓電式振動傳感器輸出為電荷量，無法同時連接兩套測試電路。所以，要求發(fā)動機在固定轉速下運行5～10分鐘，當發(fā)動機穩(wěn)定后，使用地面設備記錄發(fā)動機渦輪垂直測點振動基頻幅值，斷開連接電路，在轉速不變的前提下，接入機載健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)，記錄相同位置振動基頻幅值。在發(fā)動機不同轉速段下運行多次試驗，對比振動測量結果。

3.2 試驗結果分析

健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)與地面振動采集設備測量的振動幅值結果進行對比，如表1所示。從表中可以看出使用兩套設備測量的振動幅值一致，表明使用機載振動監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)發(fā)動機振動監(jiān)測功能。

4 ?結論

本文提出了航空發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)在硬件的設計要點和軟件設計，并在某型發(fā)動機上開展了驗證工作，試驗結果表明，航空發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了機載振動信號采集、振動處理存儲和實時告警等功能，為發(fā)動機安全提供了有利的保證，為振動特征提取和故障診斷提供了理論依據(jù)。

航空發(fā)動機健康管理振動監(jiān)測系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)階段機載振動實時監(jiān)測告警的需求。但是基于振動信號的發(fā)動機故障診斷技術仍不成熟，還需在該領域進行深入的研究。

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