基于LabVIEW的航空發動機氣路故障分析系統設計*

馬 敏， 閆超奇

(中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

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基于LabVIEW的航空發動機氣路故障分析系統設計*

馬 敏， 閆超奇

(中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

針對在航空發動機氣路中帶電粒子的電荷信號微弱，傳感器工作環境惡劣的條件下，監測航空發動機氣路故障的問題，設計了一種能適應高溫、高噪聲等惡劣工作環境并對電荷信號靈敏監測模型，使用LabVIEW軟件建立了航空發動機氣路不同工況中靜電信號的子V1，對信號進行采集和分析。通過對航空發動機多種工況的模擬和試驗，建立了航空發動機氣路故障分析系統。結果表明:該監測模型分辨率高、信噪比高、穩定性好，可穩定地監測航空發動機的多種工況，為航空發動機氣路故障診斷提供可靠的依據。

航空發動機； 發動機氣路故障； LabVIEW； 靜電信號； 故障分析系統

0 引 言

航空發動機為飛機提供動力，但發動機長時間處于高強度工作狀態，其部件容易產生疲勞受損，嚴峻的工作環境易導致潤滑材料壽命縮短、非正常潤滑和磨損失效等故障[1]，本文針對靜電信號微弱的問題，使用虛擬儀器采集系統對電荷信號進行采集與處理[2]，并基于氣固兩相流裝置模擬航空發動機的運行，模擬了故障發生時的顆粒帶電狀況，對信號進行分析，建立故障分析系統，識別代表氣路故障特征的信號，使航空發動機尾氣監測技術進一步完善。

1 基本原理

航空發動機氣路的排放物主要包括三部分[3]，即燃油燃燒產生的固體煙塵，航空發動機部件磨損產生的顆粒以及吸入顆粒物。當航空發動機處于健康狀況時，氣路中顆粒粒徑范圍主要集中在5～7 nm和20～40 nm兩個范圍，而航空發動機氣路部件故障時，會產生粒徑大于40 μm的異常顆粒。由于不同類型、不同粒徑的固體顆粒在氣路中運動都會產生特征各異的靜電信號，因此，對氣路進行靜電信號的監測就可以反映航空發動機氣路部件的磨損狀況，從而反映航空發動機的故障狀況。

本文中應用氣固兩相流裝置模擬航空發動機氣路[4]，系統的整體示意圖如圖1所示。氣體由風機吹出，在管道內流動，并可向管道內加入玉米粉，二氧化硅粉，金屬粉等固體顆粒，以模擬航空發動機氣路不同類型的固體顆粒的運動過程[5]，分別檢測絕緣體顆粒、半導體顆粒以及導體顆粒的靜電信號特征。由于在管道中，空隙率超過99 %，氣固兩相流中固體顆粒含量非常稀薄，故在管道后段安裝2只靜電傳感器，分別為環形靜電傳感器和針形靜電傳感器，來更精確地檢測靜電信號，傳感器后端裝有2組相同的信號處理電路，以獲得用于互相補充的2組數據。處理電路包括電荷放大電路、低通濾波電路、A/D轉換電路[6]。處理電路的后端，是基于LabVIEW的虛擬儀器采集系統，用NI采集卡連接處理電路輸出端，即可將數據傳輸至計算機，并由LabVIEW軟件對采集數據進行處理，并分析不同類型的靜電信號特征。

圖1 氣固兩相流裝置示意圖

2 航空發動機氣路故障分析系統

2.1 診斷系統總體設計

根據航空發動機可能出現故障的幾種工況的靜電信號情況，可利用LabVIEW軟件來自動識別代表不同工況的信號特征，從而識別航空發動機的氣路故障，其總體設計框圖如圖2所示。

圖2 航空發動機故障診斷系統總體設計框圖

使用LabVIEW軟件自動識別氣路故障可利用以上框圖設計主函數，即“總體設計.VI”，燃燒產物信號識別，吸入顆粒物信號識別與氣路部件磨損異常信號識別均可由子函數來實現，即“燃燒產物信號識別.VI”、“吸入顆粒物信號識別.VI”和“磨損顆粒異常信號識別.VI”，上述設計既可使系統實現模塊化，功能清晰，又可使整體界面整潔。由于環形靜電傳感器對中心區域不敏感，上述子.VI僅針對針形靜電傳感器的采集信號進行設計。

2.2 燃燒產物信號識別系統

燃燒產物信號識別.VI可作為識別航空發動機尾氣靜電信號中識別燃燒產物的靜電信號的子.VI。由于燃燒產物絕大部分屬于正常排放顆粒物，只需對燃燒產物的信號進行識別即可，如圖3所示。經過濾波的信號輸入至燃燒產物信號識別.VI中，若該信號屬于燃燒產物的靜電信號，則其信號幅值平緩上升，且所采集的信號密度高，只需對該信號進行曲線擬合，并對其斜率進行分析，斜率即信號幅值變化的速率，經過對燃燒產物的靜電信號分析，可認為其信號增幅從開始出現到信號峰值出現的時間區間內增幅逐漸減緩，從而可形成平緩增大的波形，即只需判斷其斜率逐漸減小即可[7]。由圖3可知，曲線擬合.VI的輸出端為斜率信號，設t1時刻信號從曲線擬合.VI中輸出，分別進入比較器和延時輸出程序，則比較器一端具有t1時刻的信號，而另一端為空，則該次比較無結果，在t2時刻，信號在此進入比較器的一端，此時，由于延時輸出程序的等待時間為0.01 s(可根據信號的采樣率來確定)的進棧和出棧操作，延時輸出程序的t1時刻信號進入比較器的另一端，則t1時刻信號可與t2時刻信號進行比較，并將比較結果輸出為布爾值。當比較結果為t2時刻信號小于t1時刻信號時，布爾值輸出為1，此時，燃燒產物信號識別子.VI的運行可結束。布爾值可作為燃燒產物信號識別子.VI的輸出端，將布爾值輸出至總體設計.VI，即主函數中，作為結果被主函數使用。

圖3 燃燒產物信號識別子.VI

2.3 吸入顆粒物信號識別系統

吸入顆粒物的隨機性較大，吸入顆粒物種類多樣，粒徑范圍較大，粒徑較小的顆粒物與燃燒產物的靜電信號類似，但吸入顆粒中包含粒徑較大的顆粒，其帶電量較大，在檢測中會出現由粒徑微小的顆粒引起的振幅平穩增長，同樣也具有粒徑較大的顆粒引起的信號幅值突增[8]。因此，識別吸入顆粒物的靜電信號應同時兼顧兩種信號。如圖4，波形信號經過曲線擬合后輸出斜率值，與燃燒產物信號識別子.VI類似，平穩上升的信號斜率逐漸減小。此外，當該信號的幅值是前一時刻的信號的一定倍數時，可認為出現粒徑較大的顆粒。當兩個條件同時滿足時，可認為出現吸入顆粒物。

圖4 吸入顆粒物信號識別子.VI

2.4 磨損顆粒信號識別系統

磨損顆粒物與吸入顆粒物類似，同樣具有粒徑較大的顆粒和粒徑微小的顆粒。其中，粒徑微小的顆粒源自于航空發動機運行的正常摩擦，或源自于磨損中的比較細小的碎屑，粒徑較大的顆粒源自于異常的磨損。在信號中表現為信號突增，幅值較高的信號與幅值較低的信號的結合，兩種信號的頻率有著明顯區別，幅值較高的信號頻率較低，相反，幅值較低的信號頻率較高。如圖5所示，對該信號進行頻譜分析，并對頻譜進行曲線擬合，則類似于燃燒產物信號識別系統，可對其頻譜進行斜率分析[9]。根據以上分析，當斜率小于零時，布爾值為1。

圖5 磨損顆粒異常信號識別子.VI

2.5 航空發動機氣路故障診斷系統的主函數

上述設計的識別三種靜電信號情況的子.VI，可用于航空發動機氣路故障診斷系統的設計中。如圖6所示，信號進入濾波器.VI中，可進一步濾除高頻噪聲信號，再將濾波后的信號輸入幅值與電平測量.VI中，由以上的分析，可預先檢測該信號的幅值是否增大，如增大，再進行進一步的判斷，因此，設計了比較函數，當增大為真時，條件循環運行三個子.VI，此時三個子.VI將濾波后的信號作為輸入，來分析該信號。分析結束后，三個子.VI的輸出均為布爾值。若燃燒產物信號識別.VI的布爾值為真，則該信號屬于燃燒產物信號；若吸入顆粒物信號識別.VI的布爾值為真，則該信號屬于吸入顆粒物信號；若磨損顆粒異常信號識別.VI為真，則該信號屬于磨損顆粒的靜電信號。設計中，將磨損顆粒信號和吸入顆粒物信號設置為警報狀態，將燃燒產物信號設置為排除狀態。

圖6 航空發動機氣路故障診斷系統.VI

3 航空發動機氣路故障分析系統測試

第一組實驗：啟動風機，將玉米粉，二氧化硅粉，金屬粉三種顆粒混合物填入氣固兩相流裝置中設置采樣率為1 500 Hz，采集22 s的靜電信號如圖7所示，在該過程中，3個子.VI布爾值均為真，且引發警報狀態。

圖7 三種顆粒混合物信號

分析波形圖可知:質量較輕的顆粒先通過管道，由于數量較多，故信號采集密集度高，斜率變化平緩，未出現突增現象，其有效幅值為0～0.01 V;質量較大的顆粒通過管道時，信號出現突增現象，密集度較低，其有效幅值為0～0.02 V。

第二組實驗：啟動風機，將燃燒的碳粉顆粒加入裝置中，間隔9 s后，第二次加入。對燃燒顆粒物的測試中，采集到的靜電信號波形圖如圖8所示，在該過程中，燃燒產物信號識別子VI的布爾值為真，該信號引起系統的排除狀態。

圖8 燃燒產物信號

分析波形圖可知:系統準確地捕捉到了2次燃燒信號的波形，斜率變化均比較平緩，信號密度較高。燃燒顆粒通過管道時對管道中的電荷水平影響比較明顯，第一次效幅值為0～0.014 V，第二次有效幅值為0～0.012 V。

綜合2種實驗結果，系統對航空發動機氣路中的各種靜電信號靈敏度較高，能夠有效地監測到流動氣體中的荷電顆粒，在對燃燒產物的測試中，在燃燒產物通過傳感器探頭時，信號的產生、變化與消失均可靈敏地被捕獲到，并未引發報警狀態。因此，該系統對燃燒產物信號比較靈敏，對信號的判斷也很準確。系統能夠正常有效地工作，可作為故障診斷的可靠依據。

4 結束語

本文基于LabVIEW設計了識別航空發動機氣路不同工況中的靜電信號的子.VI，并將這些子.VI用于診斷系統中。該診斷系統利用子.VI的識別功能，可用于確定航空發動機氣路中的靜電水平，識別氣路中的異常顆粒，從而診斷航空發動機氣路中常見的故障，并可準確排除一些非故障類因素，有效地模擬了航空發動機的氣路的運行工況，為航空發動機的故障識別提供一定依據，減少不必要的維修成本。利用虛擬儀器系統開發的航空發動機氣路故障識別系統抗干擾性好、準確性高、開發成本低、開發周期短，可對更多類型的故障特征作出相應設計，是一種實用性較強，具有較高發展潛力的故障診斷系統。

[1] 孫毅剛,劉靜雅,趙 珍.基于極限學習機的航空發動機傳感器故障診斷[J].傳感器與微系統,2014,33(8):23-16.

[2] 鄧居祁,瞿 曌,盛 旺.虛擬儀器的實現[J].傳感器與微系統,2006,25(6):15-17.

[3] 文振華.基于靜電感應的航空發動機氣路監測技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2009.

[4] 王 娜,馬 輝,鄭德忠,等. 基于靜電傳感器的氣固兩相流質量流量測量方法的研究[J].儀器儀表學報,2007,28(4): 131-141.

[5] 許傳龍.氣固兩相流顆粒荷電及流動參數檢測方法研究[D].南京:東南大學,2006.

[6] 馮麗娜,左洪福,文振華.航空發動機靜電傳感器前置放大器設計[J].傳感器與微系統,2009,28(2):75-80.

[7] 鄧 森,楊軍鋒.基于LabVIEW的航空發動機滑油故障檢測系統設計[J].電子測量技術,2009,32(9):89-110.

[8] 王 超,徐占艷,秦偉剛,等.稀相氣固兩相流探針聲檢測方法的測量信號特征分析[J].傳感器與微系統,2013,32(2):39-42.

[9] 穆運明,劉旺開.基于LabVIEW的航空發動機測試系統設計[J].兵工自動化,2011,30(2):70-72.

Design of aeroengine gas path fault analysis system based on LabVIEW*

MA Min, YAN Chao-qi

(Civil Aviation University of China,College of Electronic Information and Automation,Tianjin 300300,China)

Aiming at problem of how to monitor the fault of aeroengine gas path under the condition where electrostatic signal of charged particles in aeroengine gas path is weak,and harsh working environment of the sensor,a monitoring model which can adapt to high temperature,high noise and is sensitive to charge signal is designed.The LabVIEW software is used to establish the sub VI of the static electricity signal in different operating conditions to acquire and analyze signal.Through simulate and experiment of various working condition of aeroengine,an aeroengine gas path fault analyze system is established.Result show that the model has advantages of high resolution,high signal-to-noise ratio,high stability and can steadily monitor various working condition of aeroengine and provide a reliable basis for fault diagnosis of aero engine gas path.

aeroengine; fault of aeroengine gas path; LabVIEW; static electricity signal; fault analysis system

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0103—03

2016—08—01

國家自然科學基金資助項目(61401466);中國民航大學科研啟動基金資助項目(2013QD01S)

V 271.4

A

1000—9787(2017)08—0103—03

馬 敏(1971-)，女，教授，主要從事過程參數檢測及信息處理技術方面的研究工作。

閆超奇(1992-)，男，通訊作者，碩士研究生，研究方向為無損檢測系統設計及電容層析成像系統算法。