空氣渦輪起動機異常振動診斷的STFT分析

熊欣,喬思佳,朱鈺玨,蔣聰,任悅,臧朝平

(1. 中國航空工業集團有限公司金城南京機電液壓工程研究中心,江蘇 南京 211106;2. 空軍裝備部駐南京地區第三軍事代表室,江蘇 南京 211106;3. 海軍指揮學院 外訓大隊翻譯室,江蘇 南京 210016;4. 南京航空航天大學 能源與動力學院,江蘇 南京 210016)

0 引言

空氣渦輪起動機(air turbine starter, ATS)屬于飛機第二動力系統,主要負責帶轉發動機,使發動機達到穩定工作狀態。在高溫、高轉速的苛刻運行條件下,空氣渦輪起動機易產生異常振動。渦輪轉子是起動機的核心部件,相較于航空發動機轉子,其轉速更高,轉動慣量更大,一旦振動異常會引發轉子破裂等極端情況,高能、高速的碎片可能會擊穿包容結構,破壞飛機的集成電源、液壓管路等,嚴重危及飛行安全[1]。

該型空氣渦輪起動機由轉子系統和殼體系統組成,其中,渦輪轉子及齒輪系統組成的減速傳動機構是最主要的振動源。在產品交付前,起動機需要先后通過磨試、檢試、質檢三道實驗流程以確保其達到出廠要求。試驗中時常因振動幅值偏大出現產品異常振動的情況,偶爾甚至出現渦輪碰磨、輸出軸斷裂、內部異常磨損等故障現象[2],嚴重故障時起動機無法運轉,進而使航空發動機無法起動。起動機的工作過程是持續的升速過程,無恒轉速工況,呈現明顯的時變特性。雖然目前國內對于空氣渦輪起動機動力學特性、故障模式以及剩余壽命已有許多研究[3-5],但對于起動過程中的時變特征仍需進一步研究。因此建立空氣渦輪起動機在變轉速工況下的異常振動診斷分析方法就尤為重要。有多種時頻分析方法可用于非平穩振動信號的分析,如短時傅里葉變換、希爾伯特-黃變換、小波分析等[6]。其中,短時傅里葉變換由于其簡單、高效,在各工程領域得到了廣泛應用[7-10]。本文采用短時傅里葉變換對起動機交付前的試驗中正常狀態及異常狀態實測數據進行對比分析,從異常狀態的時頻譜表現對導致振動異常的原因進行診斷分析。

1 空氣渦輪起動機振動信號分析方法

1.1 短時傅里葉變換

在對旋轉機械的振動信號進行分析時,通常采用基于傅里葉變換的功率譜密度指標對振動水平進行評估,但對空氣渦輪起動機而言,其工作過程為持續升速過程,伴有非平穩特征。傅里葉變換僅能展現定轉速穩態工作時的振動信號頻域特征,無法應用于時變過程的振動特征提取。為解決此問題,本文采用加窗的傅里葉變換,即短時傅里葉變換(short time fourier transform, STFT)對起動機的時變振動信號進行處理。通過在信號上添加滑移時間窗,對信號進行分段采樣,對每組信號進行局部的傅里葉變換。短時傅里葉變換的定義為[10]

(1)

h(t)為窗函數,其值為1時,短時傅里葉變換還原為傅里葉變換。對于給定的時間t,STFT(t,f)可看作是該時刻的頻譜,它的時間分量對應于窗口在平移過程中其中心所處的各個位置。每個不同的時間均可獲得一個獨立的頻譜,能夠反映該時刻的信號特征,稱之為切片譜。

窗函數的類型及窗的寬度對短時傅里葉變換的分析結果有顯著影響,常見的窗函數類型有矩形窗、高斯窗、海明窗等。受海森堡測不準原理的制約,窗函數的時寬和帶寬無法同時達到任意小,因此無法在時間分辨率和頻率分辨率上同時達到最優解[11]。

在Matlab中對振動信號進行分析時,采用spectrogram函數繪制短時傅里葉頻譜圖,給定信號、窗函數、fft點數以及采樣率的情況下,能夠輸出信號的能量譜密度(PSD)。為得到能夠反映主要頻率特性的頻譜圖,需要根據信號特征對窗函數進行選擇并進行濾波。根據起動機起動過程的信號特征以及采樣頻率,選擇窗函數類型為海明窗,窗寬度為1 000,為濾除背景噪聲,將頻譜中PSD值小于最大值15%的頻率成分進行濾除。

1.2 空氣渦輪起動機結構及常見故障

空氣渦輪起動機由轉子系統和殼體系統組成。轉子系統主要由渦輪轉子、齒輪系統(包括主動齒輪、雙聯齒輪以及環形齒輪等)和軸承組成;靜子系統主要由導向器殼體、進氣殼體、渦輪殼體、安裝殼體、軸承座以及密封座襯蓋等部件裝配組成。

近10年的空氣渦輪起動機維修數據表明,異常振動主要來源于起傳動作用的轉子系統,如圖1所示。高頻振動出現的故障有以下幾種:輸出軸斷裂、渦輪失穩碰擦、內部異常磨損等。不同的故障會在頻譜上表現為不同的部件轉動頻率或嚙合頻率。以渦輪轉頻為1倍頻,該型空氣渦輪起動機轉子系統各個部件的轉動頻率和齒輪嚙合頻率見表1。

表1 轉子系統各部件轉頻及嚙合頻率

圖1 轉子系統

1.3 空氣渦輪起動機振動信號分析流程

通常,對空氣渦輪起動機進行振動監測時,采用低通濾波的方式保留2 000Hz內的振動信息,使用時域加速度譜線來進行異常振動的識別[2]。這種判斷方式能夠有效識別轉子不平衡導致的異常振動,但是由于進行了低通濾波,高頻的振動信號如齒輪嚙合頻率或渦輪轉頻的高次諧波難以體現。本文分析振動監測時,不作低通濾波處理,以便保留高頻振動的信息,信號分析流程如圖2所示。在對加速度響應數據做短時傅里葉變換后,通過濾除振動能量較低的成分(PSD值≤0.15×PSDmax值)以去除背景噪聲,保留主要振動頻率成分,得到改進的短時傅里葉時頻譜,同時在重點關注的轉速區間做切片譜。將正常狀態和異常狀態的短時傅里葉時頻譜和切片譜進行頻率成分的對比分析,從而實現異常振動的成因分析。

圖2 振動信號分析流程

2 空氣渦輪起動機起動過程異常振動的短時傅里葉變換分析

振動響應數據采集于空氣渦輪起動機的渦輪殼體上,采用加速度傳感器,布置位置如圖3所示,采樣頻率為25 600Hz。

圖3 加速度傳感器布置位置

以某次質檢試驗中測得的正常工作狀態響應數據為例,說明信號分析流程,試驗過程共持續28 s,渦輪從0加速到約79 500r/min。其加速度響應原始數據如圖4所示。

圖4 加速度響應信號

采用窗長度為1 000的海明窗,得到短時傅里葉時頻譜如圖5所示,此時的時頻譜頻率成分雜亂,仍需進一步處理。

圖5 短時傅里葉時頻譜

在保留高頻振動頻率成分同時濾除背景噪聲,對振動數據進行如下處理。

1)僅截取渦輪轉速升至12 000r/min以上的時頻譜,對無振動異常的低轉速區不做重點關注。

2)濾除振動能量譜密度低于主要頻率成分15%的頻率成分。

經處理的短時傅里葉時頻譜如圖6所示,以渦輪轉頻為1倍頻,7種主要頻率成分信息見表2。

表2 頻率成分

圖6 改進的短時傅里葉時頻譜

在時域譜中加速度較大的時刻做局部頻譜,即切片譜,對產生振動的原因進行分析,各轉速下的切片譜及主要頻率成分在圖7和表3中給出。

圖7 空氣渦輪起動機升速過程的切片譜

對其他12次正常工作狀態試驗數據采用相同的分析方法,進行正常工作狀態規律總結:

1)渦輪轉速在以下4個區間時,振動響應出現局部峰值,27 000～31 000r/min,37 500～43 000r/min,49 000～59 000r/min,59 000r/min～最高轉速;

2)在較低轉速區間能夠采集到大量的齒輪嚙合及倍頻成分;

3)渦輪轉速在49 000～59 000r/min區間內時,轉子過臨界轉速,可能出現渦輪轉頻響應,在超過此轉速范圍后,渦輪轉頻響應大幅度減弱,如無明顯渦輪轉頻,則主要頻率成分為雙聯齒輪與環形齒輪的嚙合頻率;

4)渦輪轉速升至59 000r/min以上后,雙聯齒輪與環形齒輪的嚙合頻率占主導。

在試驗流程中,有兩次試驗出現明顯的振動異常,其時頻譜如圖8所示。

圖8 異常狀態時頻譜

將異常狀態的時頻譜進行局部放大,如圖9所示。

圖9 異常現象

從時頻譜及切片譜的對比分析中能看到,振動異常狀態的時頻譜中渦輪轉頻響應明顯或伴隨出現渦輪轉頻高次諧波。針對這兩種異常現象分析如下。

1)渦輪轉頻響應明顯,且與轉速平方呈正相關:轉子在產生不平衡時,理論上離心力與轉速的平方成正比。但在轉子到軸承、軸承到殼體的振動傳遞路徑上,存在軸承與轉子的接觸非線性以及連接非線性的影響,殼體上測得的振動隨轉速的增加而加大,不一定與轉速平方完全成正比。

2)伴隨渦輪轉頻的3倍頻、4倍頻及非整數倍頻的諧波:通常研究認為,若3倍頻處峰值最大,預示軸與軸承間存在松動;若4倍頻處有峰值,表明軸承本身松動。同時松動也可能表現為轉子的半周期倍頻,如2.5倍頻等。起動機在運行一段時間后,可能會由于軸徑磨損、軸承間隙過大、裝配偏差等原因產生松動。根據試驗經驗,存在振動異常時將起動機進行拆解再裝配時,能夠降低振動幅值。在拆解再裝配的過程中,有時并未更換部件,或僅調換波浪圈來改變渦輪上角接觸球軸承的預緊力,這也驗證了振動異常可能來自于裝配的偏差或彈簧疲勞時預緊力降低導致的軸承松動。

3 結語

空氣渦輪起動機工作過程的振動信號具有時變性,尤其是出現振動異常時,呈現出明顯的非平穩特征。本文采用短時傅里葉變換對起動機正常及異常狀態下的時頻譜和切片譜進行對比分析,找出了導致振動異常的零部件及裝配因素。分析結果與試驗中可能存在的裝配偏差形成了驗證,能夠為空氣渦輪起動機后續試驗的異常振動診斷提供一定的理論依據。