張帥，張強(qiáng)波，張霞妹

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，西安 710089

在飛機(jī)的飛行環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)部件工作環(huán)境惡劣，當(dāng)飛機(jī)起飛、著陸或低空飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力導(dǎo)致其容易受到外來物撞擊，例如冰塊、風(fēng)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(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)一級(jí)葉片或整流罩等部件損傷，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，誘發(fā)飛行安全事故[2]。及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生外物撞擊事件并發(fā)出警報(bào)信號(hào)，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(dòng)機(jī)的檢測(cè)識(shí)別技術(shù)就顯得尤為重要[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片被異物撞擊后的最直接表現(xiàn)是葉片振動(dòng)異常增大，葉片和承力結(jié)構(gòu)載荷發(fā)生較大變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)遭遇嚴(yán)重外物撞擊(鳥撞)事件時(shí)，機(jī)載參數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯異常變化，如振動(dòng)異常、發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失等，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到撞擊事件并發(fā)出警報(bào)；但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)遭遇一般外物撞擊事件時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳感器大多位于機(jī)匣安裝邊等靜止部件，撞擊位置與振動(dòng)傳感器之間的載荷傳遞路徑復(fù)雜，葉片振動(dòng)傳遞至振動(dòng)傳感器會(huì)有較大的衰減，發(fā)動(dòng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法識(shí)別此類事件[4]。1995年11月，美國(guó)一架飛機(jī)因在風(fēng)雨等復(fù)雜氣象環(huán)境下低空進(jìn)近，飛機(jī)在跑道入口撞樹，發(fā)動(dòng)機(jī)吸入異物碎片，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞且動(dòng)力不足而無法復(fù)飛，但發(fā)動(dòng)機(jī)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)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(dòng)機(jī)是否遭遇外物撞擊的。因此，可以應(yīng)用文獻(xiàn)[6]中提出的基于葉尖定時(shí)原理的非接觸葉片振動(dòng)測(cè)量方法檢測(cè)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊事件。

美國(guó)于20世紀(jì)80年代就已開展了基于應(yīng)變測(cè)量的外物撞擊試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究，通過大量試驗(yàn)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(shí)原理的非接觸葉尖振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，使用這套系統(tǒng)對(duì)鷂式飛機(jī)裝配的AV-8B發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量[9]。

自20世紀(jì)80年代中期以來，英國(guó)馬可尼研究中心開展了高分辨率雷達(dá)的深入研究，將其應(yīng)用于吸入發(fā)動(dòng)機(jī)異物的檢測(cè)與分類，并在Spey101發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了大量外物撞擊試驗(yàn)，結(jié)果表明基于雷達(dá)的外物撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到所有的損傷性異物碎片，并能對(duì)82%的異物類型進(jìn)行正確分類[10-11]。但這種外物撞擊識(shí)別方法僅能識(shí)別外物撞擊發(fā)生的時(shí)間，不能精確識(shí)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(dòng)機(jī)上開展大量外物撞擊試驗(yàn)，驗(yàn)證基于葉尖定時(shí)原理的非接觸葉尖振動(dòng)外物撞擊監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的外物撞擊識(shí)別能力；同時(shí)，該公司計(jì)劃在裝有RB199發(fā)動(dòng)機(jī)的Tomado F3飛機(jī)飛行試驗(yàn)中，進(jìn)行外物撞擊監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的試飛[12]。該監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)中的非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量采用電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)葉片到達(dá)時(shí)刻的測(cè)量，這種傳感器的信號(hào)受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣與環(huán)境因素影響較大，使外物撞擊監(jiān)測(cè)及報(bào)警正確率受限；此外，該研究未建立發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊識(shí)別方法。

中國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)外物撞擊研究中，文獻(xiàn)[13-16]開展了外物損傷模擬及疲勞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)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?fàn)顟B(tài)整級(jí)風(fēng)扇葉片的外物撞擊試驗(yàn)和測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)及使用等方面進(jìn)行了深入的研究。

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)外物撞擊研究鮮見關(guān)于一般外物撞擊高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的試驗(yàn)規(guī)律研究，亦少有關(guān)于外物撞擊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片是否發(fā)生和撞擊時(shí)刻、撞擊位置識(shí)別方法的研究。筆者通過風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受到外物撞擊的過程，采用基于葉尖定時(shí)的非接觸式葉尖振動(dòng)測(cè)量方法獲取葉片振動(dòng)信號(hào)，對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析研究判斷葉片是否發(fā)生外物撞擊、撞擊的時(shí)刻及撞擊的位置，而單純通過葉片原始振動(dòng)信號(hào)很難給出確切的結(jié)論。因此，提出基于非接觸葉尖振動(dòng)位移方差分析的方法對(duì)葉片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，進(jìn)而得到關(guān)于風(fēng)扇葉片外物撞擊事件的確切結(jié)論。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片外物撞擊模擬試驗(yàn)平臺(tái)

風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受到不同材料、不同尺寸及不同質(zhì)量外物撞擊的實(shí)際過程。如圖1為建立的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片外物撞擊模擬試驗(yàn)平臺(tái)照片，該試驗(yàn)平臺(tái)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為整體葉盤式結(jié)構(gòu)，單級(jí)單轉(zhuǎn)子12個(gè)葉片，葉片葉尖直徑為600 mm，風(fēng)扇葉片進(jìn)口輪轂比為0.667，葉盤厚度為50 mm，設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，設(shè)計(jì)壓比為1.06，設(shè)計(jì)效率為0.84，設(shè)計(jì)流量為9.5 kg/s[20]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中以某一軸向速度吸入外物撞擊至風(fēng)扇葉片進(jìn)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子。在開展風(fēng)扇外物撞擊試驗(yàn)之前，在外物發(fā)射裝置上對(duì)不同材質(zhì)、不同尺寸和不同質(zhì)量的外物彈體進(jìn)行速度標(biāo)定試驗(yàn)，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(duì)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊試驗(yàn)的基本要求。

圖2 外物發(fā)射裝置

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過程中會(huì)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(jì)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子，以此模擬發(fā)動(dòng)機(jī)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(xì)參數(shù)。

圖3 外物彈體照片

表1 外物彈體詳細(xì)參數(shù)

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

為了獲取外物撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片過程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)，建立了如圖4所示的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量模塊、高速攝像采集模塊、葉片動(dòng)應(yīng)變測(cè)量模塊、試驗(yàn)平臺(tái)軸承支座振動(dòng)測(cè)量模塊和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡模塊。為驗(yàn)證非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)外物撞擊轉(zhuǎn)子葉片過程中葉尖振動(dòng)異常識(shí)別的準(zhǔn)確性，采用高速攝像系統(tǒng)捕捉外物撞擊風(fēng)扇葉片的過程；同時(shí)，在每個(gè)葉片的葉背表面改裝應(yīng)變計(jì)，通過應(yīng)變采集系統(tǒng)獲取撞擊過程中葉片表面的動(dòng)應(yīng)變變化。

1.2.1 非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量原理及測(cè)量系統(tǒng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊識(shí)別技術(shù)通過安裝于風(fēng)扇的機(jī)匣之上非接觸式葉尖振動(dòng)位移傳感器實(shí)現(xiàn)外物撞擊監(jiān)測(cè)識(shí)別，采用基于葉尖定時(shí)原理的方法獲取葉尖振動(dòng)位移信號(hào)，對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片葉尖振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判別發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片是否發(fā)生外物撞擊事件。

根據(jù)文獻(xiàn)[21-23]的分析研究，光學(xué)傳感器在葉尖定時(shí)測(cè)振系統(tǒng)中占很大比重。光學(xué)系統(tǒng)測(cè)振的工作原理是將1個(gè)窄激光束射向通過的葉片葉尖，當(dāng)葉片葉尖進(jìn)入光束路徑時(shí)，光線被反射到1個(gè)成像傳感器；當(dāng)葉片通過時(shí)，反射光強(qiáng)會(huì)迅速提高；當(dāng)不存在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，某個(gè)特定葉片葉尖到達(dá)光纖探頭的時(shí)間(葉片到達(dá)時(shí)間)僅取決于轉(zhuǎn)速；但當(dāng)葉片存在振動(dòng)時(shí)，其到達(dá)時(shí)間就取決于轉(zhuǎn)速和振動(dòng)帶來的位移，由此可以計(jì)算得到葉片的振動(dòng)。而這種測(cè)振系統(tǒng)的耐高溫程度是由光學(xué)傳感器決定的。

基于葉尖定時(shí)(Blade Tip Timing, BTT)原理的非接觸旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量是將多個(gè)非接觸傳感器沿徑向安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械相對(duì)靜止的機(jī)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(hào)。由于葉片振動(dòng)，葉尖相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)方向會(huì)向前或向后偏移，使得葉片每次到達(dá)的實(shí)際時(shí)間與無振動(dòng)的期望值不相等，即脈沖到達(dá)時(shí)間會(huì)隨葉片振動(dòng)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(dòng)位移量[24]。

當(dāng)外物撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片時(shí)，會(huì)對(duì)葉片施加一沖擊作用，該沖擊作用會(huì)強(qiáng)迫高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)，瞬態(tài)振動(dòng)會(huì)使葉片旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)角速度發(fā)生微小波動(dòng)，從而使被撞擊葉片到達(dá)傳感器位置的時(shí)刻出現(xiàn)偏差，通過對(duì)比到達(dá)時(shí)刻偏差或葉尖振動(dòng)位移從而識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片是否遭遇外物撞擊事件[5]。圖5為基于葉尖定時(shí)原理的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片實(shí)測(cè)葉尖定時(shí)信號(hào)重構(gòu)原理圖。

圖5 基于葉尖定時(shí)的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量原理圖

由于非接觸式葉尖振動(dòng)傳感器不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、改裝難度較小、對(duì)到達(dá)時(shí)刻偏差和葉尖振動(dòng)響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，成為檢測(cè)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊的主要選擇[25-26]。采用基于葉尖定時(shí)原理的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外物撞擊識(shí)別非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由非接觸葉尖振動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

葉尖定時(shí)算法直接影響葉片振動(dòng)位移等參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確性，由葉尖定時(shí)測(cè)振原理可知，傳感器安裝角αi和葉片振動(dòng)倍頻Ne共同決定傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采樣點(diǎn)位置，無論傳感器安裝角和振動(dòng)倍頻多大，均可將Ne×αi規(guī)整到1個(gè)振動(dòng)周期[0°,360°)內(nèi)，從而得到所有傳感器在振動(dòng)圓周內(nèi)采樣點(diǎn)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(diǎn)分布函數(shù)、明顯度與遍歷周期等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其布置角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出考慮風(fēng)扇葉片葉尖直徑、弦長(zhǎng)、葉片數(shù)等因素的四支傳感器(S0、S1、S2、S3)沿機(jī)匣布置的最佳角度[0°,127°,238°,319°]，圖6(a)為葉尖振動(dòng)傳感器沿機(jī)匣周向的布置圖；圖6(b)為轉(zhuǎn)速同步傳感器S4。對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行非接觸葉尖振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試改裝，使其達(dá)到風(fēng)扇外物撞擊試驗(yàn)葉尖振動(dòng)位移測(cè)量的要求。

圖6 非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)傳感器布置

1.2.2 高速攝像采集系統(tǒng)

在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片外物撞擊模擬試驗(yàn)中，需對(duì)外物撞擊風(fēng)扇葉片及撞擊位置進(jìn)行識(shí)別，作為衡量非接觸式葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于發(fā)生撞擊葉片的識(shí)別準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子外物撞擊試驗(yàn)中，選用瑞士AOS高速相機(jī)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子外物撞擊過程進(jìn)行拍攝，該高速相機(jī)可滿足機(jī)載物分離測(cè)試應(yīng)用的需求，且自帶AOS Imaging Studio圖像采集存儲(chǔ)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(shí)用的圖像處理功能，包括放大、旋轉(zhuǎn)、鏡像、白平衡、一維標(biāo)定等，對(duì)于擴(kuò)展的分析還有許多其他的圖像處理和運(yùn)動(dòng)分析包；同時(shí)，可以通過疊加時(shí)間標(biāo)簽的方法精確控制圖像的時(shí)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(jī)的曝光時(shí)間、幀數(shù)、成像尺寸及光照條件等參數(shù)，使相機(jī)的成像質(zhì)量最優(yōu)。為便于高速攝像系統(tǒng)辨識(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生外物撞擊事件的具體位置，對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子所有葉片進(jìn)行如圖6(a)所示的1#～12#編號(hào)，以轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉片為1#初始葉片，沿風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的反方向?qū)θ~片進(jìn)行依次編號(hào)。以高速相機(jī)采集工作狀態(tài)的葉片及葉盤，圖8為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子以4 000 r/min工作的條件下，高速相機(jī)成像尺寸900×700、曝光50 μs、幀數(shù)2 000 fps時(shí)拍攝采集到的相鄰時(shí)刻的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片及葉盤。通過分析發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)刻風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉片、葉盤及葉片編號(hào)清晰可見，滿足風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)的撞擊過程采集要求。

圖8 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)高速攝像系統(tǒng)捕捉到的圖片

采用基于葉尖定時(shí)原理的非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量方法對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)葉尖振動(dòng)位移測(cè)量，通過對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與辨識(shí)解決了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子外物撞擊識(shí)別困難的問題。對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子所有葉片進(jìn)行編號(hào)(1#～12#)，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子工作過程中獲取不同傳感器(S0～S3)的葉尖振動(dòng)位移信號(hào)，相同傳感器采集的葉尖振動(dòng)位移隨葉片不同而變化，振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)信號(hào)通道與葉片編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，通過對(duì)不同葉片葉尖振動(dòng)位移信號(hào)的變化規(guī)律研究識(shí)別外物撞擊事件。

2 風(fēng)扇葉片非接觸葉尖振動(dòng)分析

在外物撞擊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子事件過程中，風(fēng)扇葉片葉尖振動(dòng)位移隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)行而突然增大，且大的振動(dòng)位移會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間；但在某些外物撞擊事件中，葉尖振動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片外物撞擊識(shí)別問題，提出了基于方差分析法的風(fēng)扇葉片外物撞擊識(shí)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(dòng)位移變化異常趨勢(shì)放大，使外物撞擊事件更易于被辨識(shí)，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(fēng)扇葉片外物撞擊識(shí)別

2.1 風(fēng)扇非接觸葉尖振動(dòng)位移測(cè)量

發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片發(fā)生外物撞擊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)葉片振動(dòng)突增現(xiàn)象，而風(fēng)扇葉片葉尖的振動(dòng)位移是其最佳檢測(cè)信號(hào)。通過非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取風(fēng)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(dòng)位移，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)及分析研究其規(guī)律。

圖10為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)16 mm/2.9 g外物彈體撞擊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片后的葉尖振動(dòng)位移響應(yīng)，發(fā)生外物撞擊后，3#葉片的葉尖振動(dòng)位移出現(xiàn)突增現(xiàn)象。非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取風(fēng)扇轉(zhuǎn)子每個(gè)葉片的葉尖振動(dòng)位移，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子每個(gè)葉片的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖10 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)16 mm/2.9 g外物彈體撞擊葉片的振動(dòng)位移

2.2 非接觸葉尖振動(dòng)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征分析

設(shè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的葉尖振動(dòng)位移信號(hào)為X(t)，Xj表示某時(shí)刻葉尖振動(dòng)位移值，對(duì)葉尖振動(dòng)位移信號(hào)進(jìn)行分段滑動(dòng)，滑動(dòng)時(shí)間窗口的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N，滑動(dòng)寬度為ΔN，數(shù)據(jù)窗口每滑動(dòng)1次，對(duì)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算方差，由此形成葉尖振動(dòng)位移的方差序列S(i)，方差的計(jì)算公式為

(1)

(2)

獲取風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)外物未撞擊穩(wěn)定狀態(tài)下的葉尖振動(dòng)位移，通過方差分析得到該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下1#葉片對(duì)應(yīng)的不同傳感器S0～S3的葉尖振動(dòng)位移方差分布，如圖11所示。

圖11 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)1#葉片葉尖振動(dòng)位移方差分布

對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時(shí)的1#葉片對(duì)應(yīng)的S0傳感器非接觸葉尖振動(dòng)位移的方差進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到如圖12所示的S0非接觸葉尖振動(dòng)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(dòng)位移方差近似服從三參數(shù)威布爾分布。

圖12 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)1#葉片S0振動(dòng)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(dòng)位移方差的威布爾概率累積分布。通過假設(shè)檢驗(yàn)證明，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的不同傳感器葉尖振動(dòng)位移的方差均服從威布爾分布。

圖13 葉尖振動(dòng)位移方差的威布爾概率累積分布

3 威布爾分布參數(shù)估算方法

3.1 威布爾分布函數(shù)建立

采用三參數(shù)威布爾分布對(duì)非接觸葉尖振動(dòng)位移方差進(jìn)行可靠性參數(shù)估計(jì)[28-29]，三參數(shù)威布爾分布函數(shù)為

(3)

式中：s為葉尖振動(dòng)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(duì)威布爾分布模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的時(shí)候，可根據(jù)隨機(jī)樣本估計(jì)得到相應(yīng)的可靠度。在計(jì)算經(jīng)驗(yàn)可靠度的過程中，當(dāng)樣本容量較小時(shí)采用近似中位秩公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)可靠度[30-31]以減小計(jì)算誤差，其表達(dá)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(píng)估分析的樣本總數(shù)。

3.2 威布爾分布模型的參數(shù)估計(jì)

威布爾分布函數(shù)參數(shù)在樣本容量較小時(shí)，為減小誤差，采用極大似然估計(jì)法[32]對(duì)函數(shù)參數(shù)值進(jìn)行估計(jì)。

設(shè)樣本總體si-Weibull(β,η)，s1,s2,…,sn為n個(gè)葉尖振動(dòng)位移方差值，則其似然函數(shù)為

(8)

對(duì)式(8)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)得到似然函數(shù)的對(duì)數(shù)表達(dá)式為

(9)

對(duì)式(9)關(guān)于η、β求偏導(dǎo)并令其為0，得

(10)

(11)

4 風(fēng)扇外物撞擊自動(dòng)門限在線檢測(cè)

不同發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，給定時(shí)間窗內(nèi)的非接觸葉尖振動(dòng)位移方差s不同；同一風(fēng)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(duì)葉尖振動(dòng)位移的方差值進(jìn)行檢測(cè)，采用如圖14所示的隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)子狀態(tài)改變而變化的自動(dòng)門限在線檢測(cè)系統(tǒng)。

圖14 自動(dòng)門限在線檢測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)工作過程，非接觸葉尖振動(dòng)位移方差服從威布爾分布，對(duì)其進(jìn)行總體極大似然估計(jì)，獲取可靠度為99.99%的外物撞擊風(fēng)扇葉片的葉尖振動(dòng)位移方差檢測(cè)門限。圖15 為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下S0～S3傳感器葉尖振動(dòng)位移方差外物撞擊檢測(cè)閾值分布。

圖15 不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的葉尖振動(dòng)位移方差閾值分布

5 風(fēng)扇葉片外物撞擊檢測(cè)結(jié)果分析

在開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片外物撞擊模擬試驗(yàn)之前，將基于葉尖定時(shí)原理的非接觸葉尖振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一，確保各個(gè)系統(tǒng)之間試驗(yàn)結(jié)果相互對(duì)應(yīng)。對(duì)風(fēng)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(dòng)位移信號(hào)的方差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在該試驗(yàn)過程中連續(xù)發(fā)射5顆白色塑料外物彈體撞擊風(fēng)扇葉片的相同位置。圖16為連續(xù)發(fā)射外物彈體撞擊風(fēng)扇葉片過程中各葉片的葉尖振動(dòng)位移方差值分布，圈碼表示風(fēng)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(dòng)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(dòng)位移方差閾值分布對(duì)其振動(dòng)位移方差進(jìn)行在線檢測(cè)，非接觸葉尖振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到5次葉片振動(dòng)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(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)16 mm/2.9 g的外物彈體撞擊葉片的振動(dòng)位移方差

采用高速攝像系統(tǒng)對(duì)外物撞擊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的過程進(jìn)行詳細(xì)記錄。圖17為高速攝像系統(tǒng)采集到的第1次外物撞擊風(fēng)扇葉片的過程，白色外物彈體與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子相撞于7#葉片，且撞擊時(shí)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(shí)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(fēng)扇葉片的過程，白色外物彈體與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子相撞于8#葉片葉尖，然后彈至機(jī)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(jī)拍攝的第1次外物撞擊風(fēng)扇葉片過程

圖18 高速相機(jī)拍攝的第2次外物撞擊風(fēng)扇葉片過程

對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子典型轉(zhuǎn)速下的外物撞擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如表2所示的基于葉尖振動(dòng)位移方差分析方法和高速攝像系統(tǒng)的外物撞擊識(shí)別結(jié)果對(duì)比，基于葉尖振動(dòng)位移方差分析方法的外物撞擊識(shí)別準(zhǔn)確率為97.4%。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min 狀態(tài)時(shí)，基于葉尖振動(dòng)位移方差分析方法對(duì)12 mm/1.25 g外物撞擊事件存在部分無法識(shí)別的問題，這是由于在給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，存在最小的可識(shí)別外物質(zhì)量。

表2 基于葉尖振動(dòng)位移方差分析和高速攝像系統(tǒng)的外物撞擊識(shí)別結(jié)果

通過高速攝像系統(tǒng)捕捉外物撞擊風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片過程驗(yàn)證了基于非接觸葉尖振動(dòng)位移方差分析的外物撞擊在線檢測(cè)方法的正確性和可靠性，該方法同時(shí)也適用于外物撞擊多個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的外物撞擊事件檢測(cè)。

6 結(jié) 論

1)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總線抽引參數(shù)和加裝振動(dòng)傳感器參數(shù)對(duì)風(fēng)扇外物撞擊事件識(shí)別難度高的問題，開展了基于非接觸風(fēng)扇葉片葉尖振動(dòng)測(cè)量的外物撞擊檢測(cè)試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了基于非接觸葉尖振動(dòng)位移方差分析的風(fēng)扇外物撞擊檢測(cè)與識(shí)別。

2)構(gòu)造了基于極大似然估計(jì)威布爾參數(shù)的風(fēng)扇葉片外物撞擊葉尖振動(dòng)位移方差的檢測(cè)算法，并獲取了99.99%可靠度下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下傳感器葉尖振動(dòng)位移方差檢測(cè)閾值。

3)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子典型轉(zhuǎn)速下的外物撞擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，基于葉尖振動(dòng)位移方差分析方法的外物撞擊識(shí)別準(zhǔn)確率為97.4%。

4)通過對(duì)高速攝像系統(tǒng)捕捉的風(fēng)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(dòng)位移方差分析的外物撞擊在線檢測(cè)方法可辨識(shí)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。