專利名稱：基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定振動(dòng)傳感器安裝位置方法，特別是一種基于故障頻率敏感的 直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，屬于直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1991年，第一架裝有認(rèn)證健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)(Health&Usage MonitoringSystem, HUMS)的直升機(jī)問世以來，在世界各國，越來越多的直升機(jī)裝有HUMS， 而振動(dòng)傳感器是直升機(jī)使用與監(jiān)測系統(tǒng)(HUMS)的重要部件。目前很多文獻(xiàn)對于齒輪箱振 動(dòng)傳感器的安裝位置并沒有明確的說明，但普遍認(rèn)為振動(dòng)傳感器的安裝應(yīng)該盡量靠近軸承 的位置。測量徑向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)傳感器普遍安裝于軸承座的外側(cè)與軸承軸線平行的位置，測 量軸向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)傳感器才安裝在軸承座的端面與軸承軸線垂直的位置。究其原因就是 希望振動(dòng)傳感器安裝的位置振動(dòng)能量衰減最少。有研究表明由齒輪振動(dòng)產(chǎn)生的能量傳遞 到軸承座表面時(shí)峰值能量已經(jīng)減少到最初峰值能量的0. 01%，因此應(yīng)該充分監(jiān)測0. 01% 振動(dòng)能量，此時(shí)傳感器的位置選擇至關(guān)重要。有國外文獻(xiàn)通過試驗(yàn)也表明振動(dòng)傳感器的安 裝位置對測量的振動(dòng)信號具有明顯的影響，安裝位置的微小變化都會(huì)導(dǎo)致獲得信號發(fā)生 變化，因此單純通過試驗(yàn)的方法很難確定振動(dòng)傳感器的最佳安裝位置。美國研究人員在 AH-64A直升機(jī)上，用模態(tài)試驗(yàn)的辦法，來驗(yàn)證所裝振動(dòng)傳感器的位置是否合適，但是模態(tài)試 驗(yàn)往往很難激發(fā)設(shè)備的高階模態(tài)，而且試驗(yàn)成本高昂。目前對于直升機(jī)齒輪箱故障診斷的難點(diǎn)之一就是如何對齒輪箱的早期故障作出 判斷。直升機(jī)齒輪箱早期故障時(shí)，故障信號非常微弱，導(dǎo)致這些微弱的信號常常湮沒在噪聲 信號中。解決的辦法有兩個(gè)途徑，一是盡量充分的獲得早期的故障信號，通過選擇最佳的傳 感器安裝位置，以及使用更敏感的振動(dòng)傳感器來實(shí)現(xiàn)；二是采用各種信號處理的方法對獲 得的信號進(jìn)行處理，消除噪聲，以獲得故障信息。目前技術(shù)的缺點(diǎn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定振動(dòng)傳感器安裝位置，不能保證所選取的安裝位 置就是最佳的安裝位置，當(dāng)工作頻率發(fā)生變化后，振動(dòng)傳感器所在位置有可能振幅會(huì)突然 變小。因此有必要根據(jù)工作頻率來確定振動(dòng)傳感器的最佳安裝位置。而采用模態(tài)測試的辦 法來確定振動(dòng)傳感器的安裝位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高昂，而且由于高階模態(tài)很難激發(fā)，得到 的結(jié)果往往不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱 振動(dòng)傳感器布置方法，通過比較直升機(jī)齒輪箱允許安裝振動(dòng)傳感器位置在工作頻段的諧響 應(yīng)振動(dòng)幅值大小，來選擇最佳的振動(dòng)傳感器安裝位置，使得安裝在最佳位置的振動(dòng)傳感器， 對齒輪箱故障最敏感。本發(fā)明的一種基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，包括以下 幾個(gè)步驟
3
步驟一構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的三維模型；利用三維建模軟件，構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的高精度三維實(shí)體模型；步驟二 建立直升機(jī)齒輪箱有限元模型；將步驟一中構(gòu)建的直升機(jī)齒輪箱的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，根據(jù)直升 機(jī)齒輪箱的實(shí)際情況，設(shè)定直升機(jī)齒輪箱的材料屬性參數(shù)，并對三維模型劃分有限元網(wǎng)格， 添加位移約束，最后得到直升機(jī)齒輪箱的有限元模型；步驟三對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析；得到了直升機(jī)齒輪箱的有限元模型后，對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分 析，獲取有限元模型s階固有頻率及模態(tài)，其中模態(tài)階數(shù)S > 6 ；步驟四對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析；對步驟三中進(jìn)行模態(tài)分析后的模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，根據(jù)直升機(jī)齒輪箱的真實(shí)受 力情況，選取齒輪箱的振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)，對振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)施加正弦激勵(lì)，激勵(lì)的頻率范圍至少包括 [fz-fn，2fz+fn]，其中，fz為直升機(jī)齒輪嚙合頻率的1倍頻，fn為所監(jiān)測齒輪的轉(zhuǎn)頻；對模型上所有點(diǎn)在激勵(lì)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到各個(gè)點(diǎn)的諧響應(yīng)結(jié) 果；步驟五確定直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器的安裝位置；在直升機(jī)齒輪箱有限元模型上，選取典型節(jié)點(diǎn)，根據(jù)步驟四得到的諧響應(yīng)結(jié)果，獲 取直升機(jī)齒輪箱有限元模型諧響應(yīng)時(shí)典型節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值，在工作頻段對各個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的 振幅進(jìn)行比較，振幅最大的典型節(jié)點(diǎn)就是振動(dòng)傳感器的最佳布置位置，將振動(dòng)傳感器安裝 在此位置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明能夠?qū)σ延械脑O(shè)備確定最佳的振動(dòng)傳感器安裝位置，也能夠在設(shè)計(jì)新 設(shè)備時(shí)通過本發(fā)明對振動(dòng)傳感器安裝位置進(jìn)行預(yù)留。(2)本發(fā)明確定的最佳的振動(dòng)傳感器安裝位置充分獲取齒輪箱早期故障信號，進(jìn) 行早期故障診斷有重要意義，更加有效的檢測直升機(jī)齒輪箱的早期故障。(3)本發(fā)明利用三維建模軟件的優(yōu)勢，建立精確的直升機(jī)齒輪箱模型，避免了在有 限元軟件復(fù)雜模型建模方面的缺憾。


圖1是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中直升機(jī)中減速器齒輪箱三維模型示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中直升機(jī)中減速器齒輪箱有限元模型示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中有限元模型激勵(lì)點(diǎn)位置示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中典型節(jié)點(diǎn)位置示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例中典型節(jié)點(diǎn)的諧響應(yīng)振動(dòng)幅值示意圖；圖7是本發(fā)明圖6中2450Hz到2700Hz的局部放大示意圖；圖8是本發(fā)明圖6中5050Hz到5250Hz的局部放大示意圖。圖中1-第一典型節(jié)點(diǎn) 2-第二典型節(jié)點(diǎn) 3-第三典型節(jié)點(diǎn)
4-第四典型節(jié)點(diǎn) 5-第五典型節(jié)點(diǎn) 6-激勵(lì)點(diǎn)7-支腳
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，流程如圖 1所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟一構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的三維模型；利用三維建模軟件，構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的高精度三維實(shí)體模型，三維建模軟件可 以使用 ANSYS Workbench, Pro/E, UG, Solidfforks 等；步驟二 建立直升機(jī)齒輪箱有限元模型；將步驟一中構(gòu)建的直升機(jī)齒輪箱的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，所述的有 限元分析軟件可以為ANSYS等，根據(jù)直升機(jī)齒輪箱的實(shí)際情況，設(shè)定直升機(jī)齒輪箱的材料 屬性參數(shù)，參數(shù)包括密度、彈性模量和泊松比，并對三維模型劃分有限元網(wǎng)格，添加位移約 束，最后得到直升機(jī)齒輪箱的有限元模型。步驟三對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析；得到了直升機(jī)齒輪箱的有限元模型后，可以在有限元軟件中，對直升機(jī)齒輪箱有 限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲取有限元模型S階固有頻率及模態(tài)，其中模態(tài)階數(shù)S > 6，S根據(jù) 實(shí)際情況選取，取值越大，模態(tài)階數(shù)越高，進(jìn)行諧響應(yīng)分析的結(jié)果越精確。步驟四對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析；對步驟三中進(jìn)行模態(tài)分析后的模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，根據(jù)直升機(jī)齒輪箱的真實(shí)受 力情況，選取齒輪箱的振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)，對振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)施加正弦激勵(lì)，激勵(lì)的頻率范圍至少包括 [fz-fn，2fz+fn]，其中，fz為直升機(jī)齒輪嚙合頻率的1倍頻，(為所監(jiān)測齒輪的轉(zhuǎn)頻，激勵(lì)的 頻率范圍的確定跟所選用的振動(dòng)傳感器的頻寬有關(guān)，在振動(dòng)傳感器的頻寬范圍內(nèi)，可以選 取高于嚙合頻率2倍頻的頻寬，所以，當(dāng)振動(dòng)傳感器的頻寬范圍大于嚙合頻率2倍頻的頻 寬，當(dāng)振動(dòng)傳感器的頻寬范圍為nfz時(shí)，n > 2，激勵(lì)頻率范圍為[fz_fn，nfz+fn]，由于齒輪箱 故障時(shí)，有可能在高倍頻處也出現(xiàn)以轉(zhuǎn)頻為間隔的邊頻帶，因此，確定激勵(lì)的頻率范圍時(shí)， 包括高倍頻及其邊頻帶，考慮高倍頻及其邊頻帶的諧響應(yīng)，對于最終確定最佳傳感器安裝 位置是有益的。對模型上所有點(diǎn)在激勵(lì)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到各個(gè)點(diǎn)的諧響應(yīng)結(jié)^ o步驟五確定直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器的安裝位置；在直升機(jī)齒輪箱有限元模型上，選取典型節(jié)點(diǎn)，根據(jù)步驟四得到的諧響應(yīng)結(jié)果，獲 取直升機(jī)齒輪箱有限元模型諧響應(yīng)時(shí)典型節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值，在工作頻段對各個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的 振幅進(jìn)行比較，振幅最大的典型節(jié)點(diǎn)就是振動(dòng)傳感器的最佳布置位置，將振動(dòng)傳感器安裝 在此位置。最佳的振動(dòng)傳感器安裝位置充分獲取齒輪箱早期故障信號，進(jìn)行早期故障診斷 有重要意義，更加有效的檢測直升機(jī)齒輪箱的早期故障。所述的典型節(jié)點(diǎn)是指的是現(xiàn)有技術(shù)中允許直升機(jī)齒輪箱上安裝振動(dòng)傳感器的節(jié) 點(diǎn)位置。由于振動(dòng)傳感器的安裝需要滿足一定的條件，例如齒輪箱的平面度、振動(dòng)傳感器本
5身的安裝不能夠影響齒輪箱的運(yùn)行等等，所以齒輪箱上允許安裝振動(dòng)傳感器的位置是有限 的，這些節(jié)點(diǎn)位置就是典型節(jié)點(diǎn)。所述的工作頻段指的是包含齒輪嚙合頻率及以齒輪轉(zhuǎn)頻間隔為其邊頻的頻率段。實(shí)施例步驟一在ANSYS WORKBENCH中繪制高精度完整的直升機(jī)中減速器齒輪箱三維實(shí) 體模型，繪制好的齒輪箱實(shí)體模型如圖2所示。步驟二 將用ANSYS WORKBENCH繪制的直升機(jī)減速器齒輪箱三維實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS，通過菜單操作來設(shè)定材料屬性密度7850Kg/m3、彈性模量2. OxlO^Pa、泊松比0. 3，并 劃分有限元網(wǎng)格，對直升機(jī)中減速器四個(gè)支腳7添加三維零位移約束，劃分網(wǎng)格、添加位移 約束后，得到有限元模型如圖3所示。步驟三對有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)階數(shù)S選取20，直升機(jī)中減速器齒輪箱 前20階模態(tài)固有頻率如表1所示。表1直升機(jī)中減速器齒輪箱前20階模態(tài)固有頻率
模態(tài)階數(shù)固有頻率模態(tài)階數(shù)固有頻率1188.79111634.02204.86121734.53281. 16131855.44407. 78141868.35454. 97151929.56668. 32162093.57890. 09172157.08919. 84182375.391248. 5192378.5101254. 9202613. 0步驟四對直升機(jī)齒輪箱進(jìn)行諧響應(yīng)分析。如圖4所示，根據(jù)實(shí)際情況，確定齒輪 箱的激勵(lì)位置為激勵(lì)點(diǎn)6，并且對激勵(lì)點(diǎn)6施加正弦激勵(lì)，方向如圖中箭頭所示，實(shí)施例中 的直升機(jī)中減速器的輸入齒數(shù)34，轉(zhuǎn)速4542rpm，因此嚙合頻率1倍頻為2573. 8Hz，2倍頻 為5147. 6Hz，轉(zhuǎn)頻為75. 7Hz。因此取正弦激勵(lì)的頻寬為2200到5600Hz，頻寬包括了嚙合頻 率的1倍頻、2倍頻和以轉(zhuǎn)頻間隔為邊頻的頻寬。步驟五選取典型節(jié)點(diǎn)，典型節(jié)點(diǎn)包括實(shí)際情況中振動(dòng)傳感器可能的安裝位置，如
6圖5所示，本實(shí)施例中選取了五個(gè)典型節(jié)點(diǎn)，分別為第一典型節(jié)點(diǎn)1、第二典型節(jié)點(diǎn)2、第三 典型節(jié)點(diǎn)3、第四典型節(jié)點(diǎn)4和第五典型節(jié)點(diǎn)5，通過步驟四得到第一典型節(jié)點(diǎn)1至第五典 型節(jié)點(diǎn)5的諧響應(yīng)曲線如圖6所示，第一典型節(jié)點(diǎn)1至第五典型節(jié)點(diǎn)5在2450Hz至2700Hz， 即1倍頻處的諧響應(yīng)的振動(dòng)幅值如圖7所示，第一典型節(jié)點(diǎn)1至第五典型節(jié)點(diǎn)5在5050Hz 至5250Hz，即2倍頻處的諧響應(yīng)的振動(dòng)幅值圖8所示。
由圖7可以看出，在嚙合頻率1倍頻處，2450Hz到2700Hz范圍內(nèi)，距離激勵(lì)點(diǎn)6較 近位置的第一典型節(jié)點(diǎn)1振動(dòng)幅值明顯較大，而在嚙合頻率2倍頻處，5050Hz到5250Hz頻 帶內(nèi)，各典型節(jié)點(diǎn)振動(dòng)幅值相差不大，所以最后確定第一典型節(jié)點(diǎn)1為振動(dòng)傳感器的最佳 安裝位置。
權(quán)利要求
基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的三維模型；利用三維建模軟件，構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的高精度三維實(shí)體模型；步驟二建立直升機(jī)齒輪箱有限元模型；將步驟一中構(gòu)建的直升機(jī)齒輪箱的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，根據(jù)直升機(jī)齒輪箱的實(shí)際情況，設(shè)定直升機(jī)齒輪箱的材料屬性參數(shù)，并對三維模型劃分有限元網(wǎng)格，添加位移約束，最后得到直升機(jī)齒輪箱的有限元模型；其特征在于，還包括以下步驟步驟三對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析；得到了直升機(jī)齒輪箱的有限元模型后，對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲取有限元模型S階固有頻率及模態(tài)，其中模態(tài)階數(shù)S≥6；步驟四對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析；對步驟三中進(jìn)行模態(tài)分析后的模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，根據(jù)直升機(jī)齒輪箱的真實(shí)受力情況，選取齒輪箱的振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)，對振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)施加正弦激勵(lì)，激勵(lì)的頻率范圍至少包括[fZ-fn，2fZ+fn]，其中，fZ為直升機(jī)齒輪嚙合頻率的1倍頻，fn為所監(jiān)測齒輪的轉(zhuǎn)頻；對模型上所有點(diǎn)在激勵(lì)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到各個(gè)點(diǎn)的諧響應(yīng)結(jié)果；步驟五確定直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器的安裝位置；在直升機(jī)齒輪箱有限元模型上，選取典型節(jié)點(diǎn)，根據(jù)步驟四得到的諧響應(yīng)結(jié)果，獲取直升機(jī)齒輪箱有限元模型諧響應(yīng)時(shí)典型節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值，在工作頻段對各個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的振幅進(jìn)行比較，振幅最大的典型節(jié)點(diǎn)就是振動(dòng)傳感器的最佳布置位置，將振動(dòng)傳感器安裝在此位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，其 特征在于，步驟二中所述的材料屬性參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，其 特征在于，步驟三中所述的模態(tài)階數(shù)S根據(jù)實(shí)際情況選取，取值越大，模態(tài)階數(shù)越高，進(jìn)行 諧響應(yīng)分析的結(jié)果越精確。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，其 特征在于，步驟四中所述的激勵(lì)頻率范圍的選取方法是當(dāng)振動(dòng)傳感器的頻寬范圍為nfz時(shí)， n > 2，激勵(lì)頻率范圍為[fz-fn，nfz+fn]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法， 其特征在于，步驟五中所述的典型節(jié)點(diǎn)是指直升機(jī)齒輪箱上允許安裝振動(dòng)傳感器的節(jié)點(diǎn)位 置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，其 特征在于，步驟五中所述的工作頻段是指包含齒輪嚙合頻率及以齒輪轉(zhuǎn)頻間隔為其邊頻的 頻率段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于故障頻率敏感的直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器布置方法，包括以下幾個(gè)步驟，步驟一構(gòu)建直升機(jī)齒輪箱的三維模型；步驟二建立直升機(jī)齒輪箱有限元模型；步驟三對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析；步驟四對直升機(jī)齒輪箱有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析；步驟五確定直升機(jī)齒輪箱振動(dòng)傳感器的安裝位置；本發(fā)明對于現(xiàn)有的齒輪箱可以快速精確的確定振動(dòng)傳感器的最佳布置位置，對于設(shè)計(jì)中的齒輪箱，預(yù)留傳感器安裝位置也將起到指導(dǎo)作用，本發(fā)明對于充分獲取齒輪箱早期故障信號，進(jìn)行早期故障診斷有重要意義。
文檔編號G06F17/50GK101799844SQ201010142629
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者朱冬梅, 王少萍, 石健, 蘇勛文 申請人:北京航空航天大學(xué)