專利名稱：利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法
技術領域：
本發(fā)明公開了利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，屬于航空發(fā)動機故障診斷的技術領域。
背景技術：
轉靜碰摩故障是包括航空發(fā)動機在內的高速旋轉機械的常見強非線性故障，具有嚴重的危害性，會導致轉靜間隙增大、軸承磨損、振動增大、葉片折斷直至機械失效?，F(xiàn)代大型航空發(fā)動機中，碰摩的主要原因來源于轉子不平衡、機匣變形以及支座不同心等。由于轉子質量較大，機匣普遍采用薄壁結構，其質量較輕，碰摩力很難使轉子反彈。因此，在航空發(fā)動機中，碰摩現(xiàn)象主要表現(xiàn)為偏磨，即基本上是在機匣固定位置碰摩，但是由于機匣變形不同、支座不同心的方向不同，其發(fā)生偏磨的部位將有所區(qū)別，因此，有效地診斷和識別出偏磨的位置，對于發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機偏磨故障的原因和改進設計具有重要意義。倒頻率可以非常有效的處理復雜頻譜內包含的周期分量，其對邊頻成分具有“概括”能力，能較明顯地顯示出頻譜上的周期成分，將原來頻譜上的成族邊頻帶譜線簡化為單根譜線。在地震、雷達、聲學、訊號處理、影像及故障診斷領域均有廣泛應用。但目前基于倒頻譜的方法還并未在航空發(fā)動機的碰摩部位識別中得到應用。在本發(fā)明之前，目前碰摩部位識別的方法主要有兩大類，一為基于聲發(fā)射技術的方法，如何田，劉耀光，陳亞農等發(fā)表于航空動力學報上的“基于聲發(fā)射波束形成法的轉靜子碰摩故障定位” 二為基于有限元模型的方法，如褚福磊，發(fā)表于聲學上的“基于動剛度的多盤轉子系統(tǒng)碰摩部位識別”(Chu F，Lu ff.Determination of the rubbing location in amult1-disk rotor system by means of dynamic stiffness identification[J].Journalof Sound and Vibration, 2001, 248(2):235-246)

但聲發(fā)射技術極易受噪聲影響，其特征參數(shù)常常無法反映設備的真實狀態(tài)，從而影響定位精度，且聲發(fā)射技術需要專門的設備儀器，現(xiàn)場使用并不方便。而基于有限元模型的方法計算量龐大，并不適合現(xiàn)場實時監(jiān)測，且能否正確建立有限元模型非常依賴于工程。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案:利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，包括如下步驟:步驟1，采集航空發(fā)動機正常運行狀態(tài)及不同部位碰摩時安裝于機匣表面加速度傳感器的輸出信號；步驟2，利用倒頻譜分析法處理步驟I中所述的加速度傳感器輸出信號，提取加速度傳感器輸出信號的特征值；步驟3，按照步驟2所述的加速度傳感器輸出信號特征值建立不同碰摩部位的樣本集，并將所述樣本集劃分為訓練樣本和測試樣本；步驟4，利用分類算法對訓練樣本進行訓練和測試，通過交叉驗證法獲取識別碰摩部位的最優(yōu)分類器，所述分類器即可實現(xiàn)碰摩部位識別。所述利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法中，步驟2的具體實施方法如下:步驟2-1，處理步驟I所述的加速度傳感器的輸出信號得到離散時間信號，對所述離散時間信號進行離散傅立葉變換得到與離散時間信號相應的頻域信號；步驟2-2，根據步驟2-1所述與離散時間信號相應的頻域信號、采樣周期及數(shù)據長度計算功率譜密度函數(shù)；步驟2-3，由步驟2-2所述的功率譜密度函數(shù)得到倒頻譜，所述倒頻譜包括:零倒頻率成分、碰摩激勵力倒頻率成分、碰摩點到響應測點傳遞路徑的倒頻率成分；步驟2-4，選取步驟2-3所述倒頻譜中零倒頻率點后的M個倒頻譜點對應的倒頻譜值，用選取的倒頻譜值構成轉靜碰摩部位識別的特征向量，M為大于9且小于21的整數(shù)。所述利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法中，步驟2所述的加速度傳感器輸出信號特征值為倒頻譜的實部值或倒頻譜的幅值。所述利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，步驟2-4中，M的取值為20。本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果:1、現(xiàn)場使用簡單方便，附加成本低廉。只需在機匣外部安裝加速度傳感器，與聲發(fā)射技術相比不需要專門的儀器設備。2、不易受噪聲影響。與聲發(fā)射技術相比不需要精確的定位信號，抗干擾能力更強。3、計算量小、實時性強。只需要對加速度傳感器采集的信號進行簡單的倒頻譜分析，與有限元方法及聲發(fā)射技術相比計算量小，適合現(xiàn)場實時監(jiān)測。4、僅需一個加速度傳感器即可實現(xiàn)航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的識別，使用非常方便。5、目前加速度傳感器已經廣泛應用于航空發(fā)動機測試領域，基于加速度信號的測試方法已發(fā)展的非常完善、成熟。


圖1為航空發(fā)動機轉子實驗器剖面圖。圖中標號說明:1、碰摩環(huán)，2、球軸，3、承渦輪盤，4、碰摩螺栓,5、壓氣機輪盤,6、滾珠軸承,7、軸,8、機匣。圖2為以面向渦輪機匣為標準碰摩部位及傳感器的安裝方向示意圖。圖3為航空發(fā)動機轉子實驗器正常運行狀態(tài)下利用倒頻譜法從安裝于機匣上方加速度傳感器采集的信號中提取的特征值。圖4-圖7為同一次實驗數(shù)據下，碰摩部位不同(碰上、碰右、碰下、碰左)時，利用倒頻譜法從安裝于機匣上方、機匣右方、機匣下方、機匣左方加速度傳感器采集的信號中提取的特征值。圖8-圖11為三次實驗數(shù)據下，碰摩部位為碰上時，利用倒頻譜法從安裝于機匣上方、機匣右方、機匣下方、機匣左方加速度傳感器采集的信號中提取的特征值。
圖12-圖14為不同次實驗數(shù)據下，碰摩部位為碰右、碰下、碰左時，利用倒頻譜法從安裝于機匣上方加速度傳感器采集的信號中提取的特征值。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明:本試驗采用如圖1所示的航空發(fā)動機轉子實驗器實現(xiàn)碰摩試驗。該試驗器在結構設計上，首先考慮在外形上與航空發(fā)動機核心機的機匣一致，尺寸縮小三倍；內部結構作了必要簡化，將核心機簡化為O— 2— O支承結構形式，并設計了可調剛度支承結構以調整系統(tǒng)的動特性；多級壓氣機簡化為單級的盤片結構，在結構上形成了轉子-支承-葉盤-機匣系統(tǒng)。該試驗器可以通過調節(jié)碰摩螺栓4擠壓碰摩環(huán)I實現(xiàn)不同程度的碰摩。本實施例各實驗在渦輪機匣處設計了四個碰摩螺釘，實現(xiàn)四個部位的碰摩實驗。碰摩位置為以面向渦輪機匣為標準，按順時針依次為渦輪機匣的垂直上、水平右、垂直下、水平左四個方向，并相應布置加速度傳感器，碰摩位置及傳感器的安裝位置如圖2所示，圖2中CH1、CH2、CH3、CH4表明4個傳感器所對應的測試通道。碰摩實驗時，用板手擰碰摩環(huán)點變形頂螺栓，使碰摩環(huán)產生變形，從而與旋轉的渦輪葉片產生碰摩，當碰摩嚴重時，將產生碰摩火花。進行了兩天6次獨立實驗，各次實驗均采用東大儀器廠SE系列電渦流位移傳感器測量轉子轉速；采樣頻率為IOKHz。本發(fā)明所述利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，包括如下步驟。步驟1，采集航空發(fā)動機正常運行狀態(tài)及不同部位碰摩時安裝于機匣表面加速度傳感器的輸出信號；實驗時在轉子實驗器機匣8上安裝丹麥K丨aer公司的4508型加速度傳感器。待傳感器安裝牢固后將其與NI公司USB9234數(shù)據采集器相連接，并將數(shù)據采集卡的另一端與計算機相連接，每次實驗均進行實驗器正常運轉(未碰摩)，碰摩位置為碰上、碰下、碰左、碰右四個部位的實驗，每次實驗保存100個樣本，每個樣本為8192個采樣點，得到離散加速度信號。步驟2，利用倒頻譜分析法處理步驟I中所述的加速度傳感器輸出信號，提取加速度傳感器輸出信號的特征值:步驟2-1，處理步驟I所述的加速度傳感器的輸出信號得到離散時間信號X (η)，對所述離散時間信號進行離散傅立葉變換得到與離散時間信號相應的頻域信號:X(k):
權利要求
1.利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1，采集航空發(fā)動機正常運行狀態(tài)及不同部位碰摩時安裝于機匣表面加速度傳感器的輸出信號； 步驟2，利用倒頻譜分析法處理步驟I中所述的加速度傳感器輸出信號，提取加速度傳感器輸出信號的特征值； 步驟3，按照步驟2所述的加速度傳感器輸出信號特征值建立不同碰摩部位的樣本集，并將所述樣本集劃分為訓練樣本和測試樣本； 步驟4，利用分類算法對訓練樣本進行訓練和測試，通過交叉驗證法獲取識別碰摩部位的最優(yōu)分類器，所述分類器即可實現(xiàn)碰摩部位識別。
2.根據權利要求1所述的利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，其特征在于步驟2的具體實施方法如下: 步驟2-1，處理步驟I所述的加速度傳感器的輸出信號得到離散時間信號，對所述離散時間信號進行離散傅立葉變換得到與離散時間信號相應的頻域信號； 步驟2-2，根據步驟2-1所述與離散時間信號相應的頻域信號、采樣周期及數(shù)據長度計算功率譜密度函數(shù)； 步驟2-3，由步驟2-2所述的功率譜密度函數(shù)得到倒頻譜，所述倒頻譜包括:零倒頻率成分、碰摩激勵力倒頻率成分、碰摩點到響應測點傳遞路徑的倒頻率成分； 步驟2-4，選取步驟2-3所述倒頻譜中零倒頻率點后的M個倒頻譜點對應的倒頻譜值，用選取的倒頻譜值構成轉靜碰摩部位識別的特征向量，M的取值為大于9且小于21的整數(shù)。
3.根據權利要求1或2所述的利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，其特征在于步驟2所述的加速度傳感器輸出信號特征值為倒頻譜的實部值或倒頻譜的幅值。
4.根據權利要求2所述的利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，其特征在于:步驟2-4中，M的取值為20。
全文摘要
本發(fā)明公開了利用倒頻譜識別航空發(fā)動機轉靜碰摩部位的方法，屬于航空發(fā)動機故障診斷的技術領域。本發(fā)明首先需要獲取航空發(fā)動機在不同碰摩部位下的機匣振動加速度信號；然后利用倒頻譜分析法提取低維特征參數(shù)，并形成訓練樣本；接下來利用分類算法對訓練樣本集進行訓練，得到碰摩部位分類器，最后利用訓練好的分類器識別碰摩部位。本發(fā)明僅需一個加速度傳感器即可有效判斷航空發(fā)動機碰摩部位，與現(xiàn)有技術相比，更為簡便，更加適合現(xiàn)場實時診斷。
文檔編號G01M15/00GK103149029SQ20131001532
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權日2013年1月16日
發(fā)明者陳果, 于明月, 李愛, 姜廣義, 李成剛 申請人:南京航空航天大學