基于頻譜分析的通風(fēng)扇故障診斷方法研究

摘" 要：空中客車公司A320FAM飛機(jī)電子艙通風(fēng)扇故障是該機(jī)型的一個(gè)典型常見故障，該故障容易導(dǎo)致航班延誤，甚至飛機(jī)返航、緊急備降的事件發(fā)生。在研究通風(fēng)扇結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，給出了一種基于振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的方法，經(jīng)過仿真分析，該方法可用于診斷電子艙通風(fēng)扇的早期故障。

關(guān)鍵詞：電子艙；通風(fēng)扇；滾動(dòng)軸承；頻譜分析；故障診斷

中圖分類號(hào)：V245.341" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0135-05

Abstract： The failure of the avionics bay fan of the Airbus A320FAM aircraft is a typical common fault of this aircraft， which can easily lead to flight delay， even aircraft return and emergency landing. Based on the study of the structure of ventilation fan， a method based on spectrum analysis of vibration signal is presented. Through the simulation analysis， it is proved that the method can be used to diagnose the early fault of the avionics ventilation fan.

Keywords： avionics bay; ventilation fan; rolling bearing; spectrum analysis; fault diagnosis

A320飛機(jī)電子艙通風(fēng)系統(tǒng)用于給飛機(jī)電子設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻，主要冷卻的設(shè)備包括電子艙主設(shè)備架、駕駛艙儀表、駕駛艙控制面板和中央操縱臺(tái)等。電子艙通風(fēng)系統(tǒng)主要由電子艙通風(fēng)計(jì)算機(jī)（AEVC）、電子艙通風(fēng)扇、蒙皮活門、蒙皮熱交換器、熱交換器隔離活門、熱交換器旁通活門、溫度和壓力傳感器及氣濾等部件組成。

電子艙通風(fēng)系統(tǒng)是由電子艙通風(fēng)計(jì)算機(jī)（AEVC）進(jìn)行自動(dòng)控制的，有3種工作狀態(tài)，分別是開環(huán)狀態(tài)、閉環(huán)狀態(tài)和半開環(huán)狀態(tài)，AEVC會(huì)根據(jù)飛機(jī)空地狀態(tài)、環(huán)境溫度決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)[1]。

無論電子艙通風(fēng)系統(tǒng)工作在3種狀態(tài)中的哪一種狀態(tài)，電子艙通風(fēng)系統(tǒng)中的鼓風(fēng)扇和抽風(fēng)扇都始終工作在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這2個(gè)風(fēng)扇為電子艙通風(fēng)管路提供穩(wěn)定的空氣流量，保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1" 背景分析

通過查詢某公司A320機(jī)隊(duì)2017—2022年的維修記錄，見表1，篩選出了電子艙通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)故障更換記錄共計(jì)1 132條，其中有493條記錄都是更換電子艙通風(fēng)扇，占比高達(dá)到43.6%，可以看出電子艙通風(fēng)扇的故障率偏高。

電子艙通風(fēng)扇有鼓風(fēng)扇和抽風(fēng)扇，件號(hào)都是相同的。根據(jù)最低設(shè)備清單（MEL），電子艙通風(fēng)扇故障是允許保留其中一個(gè)的，即鼓風(fēng)扇或抽風(fēng)扇可以有一個(gè)不工作。但如果處于上游的鼓風(fēng)扇故障且不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將在整個(gè)通風(fēng)管道中產(chǎn)生堵塞影響，容易引起下游的供氣量不足，導(dǎo)致抽風(fēng)扇也發(fā)生故障。

因此當(dāng)鼓風(fēng)扇故障時(shí)，應(yīng)將鼓風(fēng)扇與抽風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)調(diào)，保留抽風(fēng)扇，這樣可以保證一定的供氣量，防止2個(gè)風(fēng)扇同時(shí)故障，導(dǎo)致航班延誤或飛機(jī)停場(chǎng)排故（AOG）。

電子艙通風(fēng)扇故障時(shí)很容易造成不正常事件。當(dāng)風(fēng)扇葉片斷裂或軸承磨損時(shí)，風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生異響。當(dāng)風(fēng)扇卡阻時(shí)，容易導(dǎo)致駕駛艙異味，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)煙霧或者火花，從而導(dǎo)致飛機(jī)返航、緊急備降的事件發(fā)生。

2" 不正常事件

事件一：2019年12月，某飛機(jī)在空中巡航時(shí)，突然出現(xiàn)駕駛艙異味，機(jī)組選擇備降。檢查發(fā)現(xiàn)電子艙通風(fēng)鼓風(fēng)扇有磨損痕跡。更換鼓風(fēng)扇后，測(cè)試正常。

事件二：2020年1月，某飛機(jī)滑出后觸發(fā)VENT BLOWER FAN FAULT警告，駕駛艙有異味，飛機(jī)滑回。檢查發(fā)現(xiàn)為鼓風(fēng)扇故障，對(duì)倒鼓風(fēng)扇和抽風(fēng)扇后，保留抽風(fēng)扇放行飛機(jī)。飛機(jī)回基地后，將故障的風(fēng)扇拆下更換。調(diào)查發(fā)現(xiàn)故障的風(fēng)扇裝機(jī)于2017年，裝機(jī)時(shí)間為7 738飛行小時(shí)，該風(fēng)扇于2019年11月底完成風(fēng)扇振動(dòng)值檢查，檢查正常。

事件三：2022年11月，某飛機(jī)在國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)短停，在所有旅客登機(jī)，關(guān)閉客艙門后，觸發(fā)VENT BLOWER FAULT警告，測(cè)試有鼓風(fēng)扇故障信息。由于缺少拆裝風(fēng)扇所需封圈，緊急從當(dāng)?shù)厍笤馊螅瑢?duì)倒鼓風(fēng)扇和抽風(fēng)扇，按最低設(shè)備清單（MEL）放行飛機(jī)。航班最終延誤192 min。

查詢某公司2015年至2022年這8年A320機(jī)隊(duì)的不正常事件記錄，共計(jì)有388條是空調(diào)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的不正常事件記錄，其中有194條記錄是電子艙通風(fēng)系統(tǒng)故障。這194起不正常事件中有106起是電子艙通風(fēng)的鼓風(fēng)扇或者抽風(fēng)扇造成的，在電子艙通風(fēng)系統(tǒng)故障不正常事件中占比高達(dá)54.64%。對(duì)電子艙通風(fēng)扇故障造成的延誤數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到平均延誤時(shí)間為123 min。在這106起因?yàn)殡娮优撏L(fēng)扇故障造成的不正常事件中，有23起事件出現(xiàn)了異味、煙霧或火光，其中有1起事件出現(xiàn)了電子艙煙霧警告。

通過查看歷史故障記錄，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子艙通風(fēng)扇出現(xiàn)早期缺陷時(shí)，故障現(xiàn)象并不明顯，通風(fēng)扇可以正常工作；當(dāng)通風(fēng)扇缺陷逐漸惡化時(shí)，通風(fēng)扇會(huì)突然失效，造成航班不正常事件的發(fā)生。因此提高電子艙通風(fēng)扇的可靠性，對(duì)通風(fēng)扇的故障診斷方法進(jìn)行研究，對(duì)具有潛在故障的通風(fēng)扇進(jìn)行預(yù)防性維修，顯得極為重要。

3" 可靠性調(diào)查

根據(jù)空中客車公司（簡(jiǎn)稱空客）的調(diào)查，電子艙通風(fēng)扇故障的主要原因是前后滾動(dòng)軸承滾珠問題。根據(jù)調(diào)查也有一些風(fēng)扇失效是由于返修質(zhì)量問題導(dǎo)致的。另外也有部分原因是潤(rùn)滑油脂、風(fēng)扇污染和飛機(jī)振動(dòng)等，但是這些原因的影響較少。

空客后續(xù)推出了改進(jìn)型的通風(fēng)扇，件號(hào)為EVT3454HC，該通風(fēng)扇軸承采用了一種新的陶瓷工藝，用于提高風(fēng)扇的使用壽命，目前東方航空技術(shù)有限公司四川分公司（以下簡(jiǎn)稱我司）主要使用該件號(hào)的電子艙通風(fēng)扇。

通過查詢EVT3454HC通風(fēng)扇的裝機(jī)履歷，調(diào)查了65次該件號(hào)風(fēng)扇的裝機(jī)記錄，得到裝機(jī)飛行小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，可以看出該風(fēng)扇在2 000飛行小時(shí)后開始顯著地出現(xiàn)故障，并且在之后的各個(gè)時(shí)間段都有可能發(fā)生故障。裝機(jī)飛行小時(shí)大于1萬飛行小時(shí)的風(fēng)扇裝機(jī)次數(shù)占比僅為27.7%。

空客于2019年推出了件號(hào)為AE1819B00的新風(fēng)扇用于提高可靠性，該件號(hào)的風(fēng)扇除了滾珠軸承使用了新的材料，還引入了滾珠軸承健康監(jiān)控（BBHM）功能。需要知道的是，BBHM是通風(fēng)扇的一個(gè)獨(dú)立功能，與電子艙通風(fēng)計(jì)算機(jī)（AEVC）或飛行警告計(jì)算機(jī)（FWC）沒有數(shù)據(jù)交互。BBHM有2個(gè)故障指示燈：琥珀色燈亮表示風(fēng)扇有瞬時(shí)故障，此時(shí)是可以通過重置按鈕熄滅指示燈的，且不需要參考MEL項(xiàng)目；紅燈亮表示風(fēng)扇已經(jīng)損壞，此時(shí)必須排故或參考MEL辦理保留。因此只需要定期查看這種風(fēng)扇的指示燈，當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)有琥珀色指示燈亮?xí)r，可以在風(fēng)扇完全故障前選擇合適的維修機(jī)會(huì)更換風(fēng)扇，從而避免飛機(jī)在航班運(yùn)行過程中出現(xiàn)電子艙通風(fēng)扇的相關(guān)故障[2]。

由于目前我司A320機(jī)隊(duì)主要裝機(jī)的電子艙通風(fēng)扇件號(hào)都為EVT3454HC，通過前面的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)扇可靠性沒有得到有效的改善，因此接下來，需要討論的是如何有效地監(jiān)控該通風(fēng)扇的健康狀況。

4" 滾動(dòng)軸承故障形式

由于A320飛機(jī)上電子艙通風(fēng)扇滾珠軸承容易磨損，且風(fēng)扇內(nèi)部容易積累灰塵等污染物，造成通風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)多種故障形式，常見的故障有：風(fēng)扇異響、風(fēng)扇超溫、風(fēng)扇異味冒煙、風(fēng)扇葉片卡阻和風(fēng)扇葉片斷裂等。這些故障都是電子艙通風(fēng)扇發(fā)生嚴(yán)重故障后的表現(xiàn)形式，風(fēng)扇早期的故障是很難通過目視檢查發(fā)現(xiàn)的。

通常，滾動(dòng)軸承有4種典型的故障狀態(tài)，分別為內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動(dòng)體故障和保持架故障，主要故障形式包括：軸承磨損、滾道表面疲勞脫皮、軸承零件腐蝕、軸承元件裂紋、裝配不當(dāng)導(dǎo)致的劃痕和保持架損壞等等。

軸承故障的診斷方法有很多，通過軸承溫度測(cè)量、軸承間隙測(cè)量和軸承聲音等，可以判斷軸承是否發(fā)生故障。但是溫度和聲音發(fā)生明顯變化時(shí)，軸承已發(fā)生嚴(yán)重故障，而且電子艙背景噪聲大，通過聲音判斷軸承故障很容易因?yàn)樵肼曉斐稍\斷結(jié)果與實(shí)際情況不符。軸承間隙測(cè)量需要分解電子艙通風(fēng)扇，因此需要更換風(fēng)扇，送到附件修理車間完成，成本高且操作困難。

滾動(dòng)軸承出現(xiàn)缺陷時(shí)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，每一次接觸缺陷時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一次沖擊振動(dòng)，振動(dòng)情況具有一定的周期性。研究滾動(dòng)軸承的振動(dòng)參數(shù)可以表征出軸承的故障狀態(tài)，具有一定的優(yōu)越性。

5" 振動(dòng)參數(shù)的選取

使用振動(dòng)測(cè)試儀，可以測(cè)量物體振動(dòng)的位移、速度和加速度，接下來要分析的是如何選取振動(dòng)參數(shù)。

假設(shè)有一個(gè)振動(dòng)信號(hào)按正弦函數(shù)規(guī)律周期性變化，則該信號(hào)的振動(dòng)公式有

y=A sin（2πft+θ），

v=■=2πfA sin（2πft+θ+■），

a=■=（2πf）2A sin（2πft+θ+π），

式中：y為振動(dòng)位移；v為振動(dòng)速度；a為振動(dòng)加速度；A為振幅；f為振動(dòng)頻率；θ為振動(dòng)相位角；t為時(shí)間。

由公式可以看出振動(dòng)信號(hào)的位移、速度和加速度的頻率是相同的。轉(zhuǎn)速恒定的滾動(dòng)軸承，其旋轉(zhuǎn)頻率也是一定的，當(dāng)軸承內(nèi)部有缺陷時(shí)，振動(dòng)也會(huì)周期性地出現(xiàn)，因此分析振動(dòng)信號(hào)的頻率是很有價(jià)值的。

振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度的幅值是振動(dòng)位移和振動(dòng)頻率的乘積，受到振動(dòng)頻率和振動(dòng)位移幅值的影響。可以看出振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度能夠?qū)⒄駝?dòng)的幅值放大，頻率越高放大效果越明顯。

通常，振動(dòng)位移一般用于低頻（小于10 Hz）振動(dòng)分析，振動(dòng)速度用于中頻（10～1 000 Hz）振動(dòng)分析，振動(dòng)加速度用于高頻（大于1 000 Hz）振動(dòng)分析。

6" 滾動(dòng)軸承故障頻率

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)是復(fù)雜的，有高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)。高頻振動(dòng)為零部件振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的固有振動(dòng)，低頻振動(dòng)為軸承缺陷引起的，即為故障頻率。振動(dòng)的特征頻率可以由下列公式求得。

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率為

fi=■。

軸承外圈固定不旋轉(zhuǎn)時(shí)fo=0，滾動(dòng)軸承頻率計(jì)算公式如下。

內(nèi)外圈相對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率為

fr=fi-fo=fi。

保持架故障頻率（FTF）為

FTF=■1-■fr=■1-■，

滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率（BSF）為

BSF=■1-■■fr=■1-■■，

外圈故障頻率（BPFO）為

BPFO=■1-■fr=■1-■，

內(nèi)圈故障頻率（BPFI）為

BPFI=■1+■fr=■1+■，

式中：N為轉(zhuǎn)速，rpm；D為軸承的節(jié)圓直徑；d為滾珠直徑；α為接觸角；n為滾動(dòng)體數(shù)目。

以斯凱孚（SKF）公司生產(chǎn)的型號(hào)為6203-2RSH深溝球軸承為例，在廠家網(wǎng)站可以查詢到該軸承的技術(shù)規(guī)格，見表2。

軸承轉(zhuǎn)速為1 797 rpm時(shí)，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率為29.95 Hz，代入公式可以計(jì)算出相關(guān)故障的特征頻率見表3。

7" 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜分析

本文采用美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心的風(fēng)扇端加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的軸承為6203-2RSH，采樣率為12 000 Hz，分別選取了風(fēng)扇端軸承正常數(shù)據(jù)，以及內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3-7]。

如圖2（a）所示，為軸承不同狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，可以看到有故障的軸承振動(dòng)波形存在不同程度的沖擊載荷。對(duì)于時(shí)域信號(hào)的分析可以選用的參數(shù)有峰峰值、有效值和均方值等，但是軸承轉(zhuǎn)速、沖擊載荷對(duì)這些參數(shù)影響很大。時(shí)域信號(hào)能反映振動(dòng)信號(hào)的幅度大小和變化規(guī)律，能夠在軸承發(fā)生嚴(yán)重故障的時(shí)候，直觀地顯示出來，但是時(shí)域信號(hào)不能反映振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)藏的其他有用信息，對(duì)于軸承早期的故障診斷存在局限性。頻譜分析是機(jī)械故障探測(cè)中很重要的一種分析方法，通過傅里葉變換可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。當(dāng)軸承故障時(shí)，隨著時(shí)間的推移，故障會(huì)逐漸惡化，會(huì)產(chǎn)生一些特征頻率信息，根據(jù)軸承的特征頻率可以判斷軸承是否存在故障。

如圖2（b）所示，通過傅里葉變換得到了正常軸承和有故障軸承的振動(dòng)頻譜，通過對(duì)比，可以看到故障軸承頻譜中出現(xiàn)了大量的高頻振動(dòng)。

由于滾動(dòng)軸承故障缺陷產(chǎn)生的早期，振動(dòng)不是那么明顯的，因此缺陷很可能被同頻的噪聲掩蓋，尤其是飛機(jī)的電子艙，設(shè)備多，噪聲大。所以通過運(yùn)用傅里葉變換直接進(jìn)行頻譜分析的方法，對(duì)于早期的軸承故障診斷也是存在困難的。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)包括：滾動(dòng)體在負(fù)載區(qū)產(chǎn)生的諧振、損傷位置在軸承元件表面的周期性沖擊振動(dòng)和環(huán)境噪聲等振動(dòng)信息。故障軸承產(chǎn)生的故障特征信號(hào)是低頻信號(hào)，特征信號(hào)對(duì)軸承的高頻振動(dòng)進(jìn)行了調(diào)制。直接對(duì)調(diào)制后高頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，很難區(qū)分出故障特征頻率。因?yàn)楦哳l固有振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)才是低頻故障的特征信號(hào)，所以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解包絡(luò)，然后再進(jìn)行傅里葉變換，才能得到低頻故障特征信號(hào)的真實(shí)頻譜。

采用希爾伯特（Hilbert）變換可以將實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)信號(hào)，即為解析信號(hào)。假設(shè)振動(dòng)信號(hào)用x（t）表示，用*表示卷積運(yùn)算，則其希爾伯特變換有

■（t）=x（t）*■。

希爾伯特變換相當(dāng)于一個(gè)正交濾波器，將輸入信號(hào)移相90°，對(duì)應(yīng)的頻域變換為

■？圳j·sgn（ω）。

因此可以構(gòu)造解析信號(hào)為

z（t）=x（t）+j■（t）=A（t）ejθ（t），

式中：A（t）為包絡(luò)信號(hào)，能夠發(fā)現(xiàn)包絡(luò)信號(hào)可以表達(dá)為

A（t）=■。

因此對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，可以得到解析信號(hào)，此操作將振動(dòng)信號(hào)從雙邊譜轉(zhuǎn)變成了單邊譜。然后對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行求絕對(duì)值，即可得到振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)線，即實(shí)現(xiàn)了解包絡(luò)。最后再對(duì)求得的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，可以得到包絡(luò)信號(hào)的頻譜，即滾動(dòng)軸承故障的頻譜。

如圖3所示，對(duì)外圈故障滾動(dòng)軸承振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特變換后，進(jìn)行解包絡(luò)，得到其振動(dòng)頻譜。

由圖3可以看到內(nèi)圈自轉(zhuǎn)頻率為29.92 Hz，外圈故障頻率（BPFO）為147.7 Hz，理論計(jì)算的外圈故障頻率為148.16 Hz，得到的結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合。還可以看到故障軸承產(chǎn)生了大量諧波，故障頻率及其邊頻帶呈現(xiàn)多個(gè)起伏的頻譜，類似“干草堆”一樣，同時(shí)內(nèi)圈自轉(zhuǎn)頻率的幅度也明顯增大，說明該軸承內(nèi)部出現(xiàn)了較為明顯的缺陷。

8" 結(jié)束語

A320飛機(jī)電子艙通風(fēng)扇出現(xiàn)故障很容易造成不正常事件的發(fā)生。目前通用的管控方案是測(cè)量通風(fēng)扇的振動(dòng)值，振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度大于一定值時(shí)就更換通風(fēng)扇，或者在8 000或者10 000飛行小時(shí)后更換通風(fēng)扇進(jìn)廠修理。通過前面的數(shù)據(jù)分析可以看出通風(fēng)扇在2 000飛行小時(shí)后就有可能出現(xiàn)故障，目前的管控方案下，仍然時(shí)有電子艙通風(fēng)扇故障的情況發(fā)生。

使用頻譜分析的方法對(duì)軸承進(jìn)行故障診斷是一種成熟的診斷方法，能夠在軸承尚未失效時(shí)，診斷出軸承內(nèi)部的故障缺陷。通過測(cè)量電子艙通風(fēng)扇的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合振動(dòng)數(shù)據(jù)的功率譜和解包絡(luò)信號(hào)頻譜分析，可以在電子艙通風(fēng)扇發(fā)生嚴(yán)重故障前發(fā)現(xiàn)潛在的故障，從而對(duì)有缺陷的電子艙通風(fēng)扇進(jìn)行更換，減少因通風(fēng)扇突發(fā)故障導(dǎo)致的航班不正常事件的發(fā)生。

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