振動參數測量偏大問題分析

張鵬 劉江 范啟華 王洪斌

摘要：針對某航空發動機在車臺參與調試試車時振動參數測量偏大問題，對可能影響的因素進行了逐一排查與分析，得出原因是振動信號混疊有趨勢項信號、噪聲信號等干擾信號，造成采集振動信號失真。針對原因，采取了信號處理去除趨勢項信號和選型更換抗干擾能力強的振動傳感器等措施，發動機試車時振動參數正常，振動參數測量偏大問題得到了解決。

關鍵詞：航空發動機;振動;趨勢項;噪聲信號

中圖分類號：V235.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0181-04

0 引言

航空發動機是高速旋轉的機械，一旦出現故障會導致全局性的損失[1]。在眾多的航空發動機測量參數中，振動信號能迅速、直接地反映發動機的運行狀態[2]。

航空發動機運行時，各部件會由于復雜的運行工況而產生復雜的動態信息[3]。這些信息中有些對設備運行狀態監測是很重要的，而動態信息往往混疊在趨勢項信號、噪聲信號等信號中而無法有效識別[4]。

某航空發動機在車臺參與調試試車時，振動測量數據與同臺發動機在黎陽車臺試車的振動數據比較顯著偏大，出現振動數據異常的現象。本文對異常的振動數據進行計算分析，得出振動數據異常的原因是振動信號混疊有趨勢項信號、噪聲信號等干擾信號。本文提出的解決措施，可正常還原真實信號，解決了振動測量偏大問題。

1 振動異常現象描述

車臺最初是為某渦噴發動機設計的，其振動要求的指標是以加速度的形式給出的。某渦扇發動機振動的要求是以速度的形式給出的。

某臺發動機在601車臺參與調試試車時，n1=35.7%時，前水平振動為2.7mm/s;當轉速升高，前水平振動也升高，在n1=79.35%時，前掛點水平振動達到最大，為43.25mm/s;n1=95.7%時，前水平振動為24.4mm/s。

而此發動機在黎陽試車臺試車時，在同位置同方向上測量，n1=35.9%時，前水平振動為1.1mm/s;當轉速升高，前水平振動也升高，在n1=79.0%時，前水平振動達到最大值15mm/s;n1=95.5%時，前水平振動為4.7mm/s。黎陽車臺使用的是一套比較成熟的振動測試系統，經過多型號大量發動機驗證，測試準確。

加速度傳感器靜態檢定為合格，傳感器帶上傳感器支架一起校準，證書結果也為合格。

2 振動測量原理

601試車臺振動測試系統組成：加速度傳感器輸出電壓信號，通過電纜傳輸至數據采集設備，同時數據采集設備將數字信號傳輸給計算機。測量軟件中，對采集的原始信號進行濾波、積分、取有效值等操作。最終試驗記錄的是經過濾波、積分、取有效值后的振動數據[6]。

加速度傳感器使用IEPE傳感器。忽略Ca、Cc和Ci時：

上式中Cf——反饋電容;usc——輸出電壓[5]。

振動的一倍頻最大頻率為258.98Hz，考慮為振動頻率留一定余量，通常設置濾波高截止頻率為300Hz。濾波方式采用巴特沃茲濾波器。其平方幅頻特性函數為：

3 振動參數異常分析

3.1 振動參數異常故障樹

針對某發動機在臺架調試試車時振動測量偏大問題，使用故障樹方法進行分析，如圖1所示。

3.2 振動參數異常故障樹分析

3.2.1 發動機振動異常或發動機安裝造成的振動異常

振動是由轉子不平衡的激振力所引起的。由于激振力到發動機經過阻尼衰減、彈性放大增幅等作用，發動機的振動是復雜的[7]。但振動信號可以認為是轉子振動信號和其它振源信號線性瞬時混合而成。旋轉機械振動信號一般為周期或準周期信號[8]，本文將其視為周期信號進行研究。假設振動源向量s（t）為實向量，且對向量中任何一個元素都有：

假設測量信號中不含有非發動機振動的信號，令某測點加速度傳感器輸出信號為U，則有：

數據顯示，在n2=84.004%，n1=79.11%時，振動加速度信號最大值為1.533g，假設測量信號中不含有非發動機振動信號，根據（11）式，理論上速度值應小于等于16.4 mm/s。

而實際上測得速度信號最大值為45.93mm/s，與以上結論矛盾。

所以判斷振動數據異常并不是因為發動機本身振動異常或者發動機安裝造成的振動異常，而是因為采集的電壓U中有非發動機振動的信號。

3.2.2 傳感器支架影響測量

為了排除傳感器支架影響測量，傳感器帶上傳感器支架一起校準，校準證書結果為合格。

3.2.3 積分算法不準確

使用軟件仿真信號9.8sin（320πt+π），該函數理論計算的積分的有效值為0.009748。而9.8sin（320πt+π）經過軟件積分后取有效值得到的實際結果為0.009750，與理論計算出的結果基本吻合。排除了積分算法不準確造成的振動數據異常。

3.2.4 測量信號中有恒定分量

如對恒定分量處理不當，會影響積分后的結果。假設積分前的正弦信號存在恒定分量，則振動信號積分以后的結果為t+Udt，如圖2所示。此時結果將是發散的，與振動數據異常的現象不符。所以排除了積分前的測量信號含有恒定分量造成的振動數據異常。

3.2.5 濾波參數設置不恰當

振動信號經過30～300Hz的濾波器后的FFT如圖3所示。可以看見0Hz～30Hz的范圍內，除了0Hz周圍的信號，其他信號都已被有效濾除。因此，除了截止頻率外，其他濾波參數的設置都是很有效的。但30Hz～110Hz，依舊有干擾信號。如果進一步提高下截止頻率至110Hz，則會濾除n1低于60%與n2低于42%的振動信息，而這些信息是非常重要的。因此排除了濾波參數設置不恰當造成振動數據異常。

3.2.6 測量信號中有趨勢項信號

如圖3振動信號的FFT所示，0Hz周圍的振動信號中有異常信號。因為試車時振動數據測量結果不發散，所以該信號不是恒定分量信號，而是趨勢項信號。該信號的存在必然會使得最終的振動結果偏大，該信號為振動信號異常的其中一個原因。

3.2.7 測量信號中有交流干擾信號

經過濾波后的振動信號的FFT如圖3所示，30Hz～110Hz的振動信號中有交流干擾信號。從中可以看到，干擾信號在整個頻域內并不均勻分布，且在各個頻率下能量不同。該干擾信號的存在必然會使得最終的振動結果偏大，該信號為振動信號異常的另一個原因。

首先在保證電纜根部自由伸展不受力的情況下，將電纜固定在與發動機沒有相對位移的物件上，避免由于電纜晃動引入的電纜噪聲，然后做以下驗證：

（1）如圖4所示。經過整機試驗驗證，在不更換數據采集硬件、數據采集軟件、測量電纜、傳感器的情況下，n1=78.1%時，振動數值為39.6mm/s;在更換了數據采集硬件、數據采集軟件、低噪聲電纜，但不更換加速度傳感器的情況下，低壓轉子轉速78.3%時，振動數值48.5mm/s并且同轉速下兩次振動變化的趨勢也基本一致。較好的復現了振動異常的現象。排除了數據采集設備、數據采集軟件、電纜噪聲造成的振動數據異常。

（2）其他條件不變，在只更換加速度傳感器后，振動數值降低了。并且振動信號的FFT上沒有30Hz～110Hz的交流干擾信號了。具體采取的措施及振動數據詳見6.2節。確認了在試車時加速度傳感器測量出的信號帶有交流干擾信號，這是振動信號異常的另一個原因。

3.2.8 小結

經過分析與一系列的排故工作后得出故障原因為：（1）測量信號中有趨勢項信號;（2）測量信號中有交流干擾信號，交流干擾信號來源于IEPE加速度傳感器測量出的信號。

4 采取的措施

4.1 軟件采取措施

趨勢項信號不能被30～300Hz的帶通濾波器濾掉，且不能被傳統的中心化處理算法扣除，因此應使用去趨勢項算法。具體算法是：將積分得到的數組數據等分，對每段數據計算均值，將得出的所有均值數據用最小二乘擬合計算得出新數組。最后用積分后的數組與新數組做差。

增加了去趨勢項算法以后，速度信號的“FFT幅度-頻率”如圖5所示：在0Hz附近的趨勢項信號沒有了。

之前實測的速度信號有效值為45.93mm/s，加速度信號有效值為1.533g。增加了去趨勢項算法以后，速度信號有效值為38.87mm/s，加速度信號有效值為1.533g，此時低壓轉子轉速為79.11% ，比未加去趨勢項算法前的數據更接近不等式（11）。

4.2 硬件采取措施

應去掉交流干擾信號，才能確保振動信號的準確。因此選型更換了振動傳感器：選擇使用溫度范圍滿足發動機后掛點溫度的電荷輸出型加速度傳感器（配電荷適配器）。并且選擇電氣連接絕緣型的加速度傳感器，從根源上避免干擾信號進入測試系統。如圖6所示，振動信號沒有了交流干擾信號。

5 試車驗證

采取排故措施后，經過試車驗證后，數據如下：601車臺測得速度有效值最大為7.03mm/s，此時加速度有效值為1.11g，n1=96.7%，n2=96.0%。快速傅里葉變換顯示此時幅值最大的激振頻率為248.1Hz，沒有趨勢項信號及交流干擾信號。發動機振動數據有效值數據滿足（11）式。并且此發動機在黎陽試車臺試車，在同位置同方向上測量，振動隨轉速變化趨勢與601車臺測得的結果一致，發動機狀態從慢車起，當n1轉速升高后，前掛點水平振動升高。當n1≥83%后，前掛點水平振動能維持在穩定水平，約11mm/s。在黎陽車臺測得n1=96.0%時，速度有效值為10.6mm/s。

這表明發動機振動測量數據正常，采取的措施得到了驗證，措施有效，振動參數測量偏大問題得到了解決。

參考文獻

[1] 宴礪堂.高速旋轉機械振動[M].北京：國防工業出版社，1994.

[2] 李洋.小波過程神經網絡相關理論及其應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[3] 鄭旭東，張連祥.航空發動機整機振動典型故障分析[J].航空發動機，2013，39（1）：34-37.

[4] 滕光蓉，李舜酩.基于優化信噪比算法的航空發動機振動信號分離[J].燃氣渦輪試驗與研究，2016，38（2）：26-31.

[5] 李科杰.新編傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社，2002.

[6] 俞卞章.數字信號處理[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[7] 宋兆泓.航空燃氣渦輪發動機強度設計[M].北京：北京航空學院出版社，1988.

[8] 徐鋒，劉云飛，宋軍.基于中值濾波-SVD和EMD的聲發射信號特征提取[J].儀器儀表學報，2011（12）：74-81.