航空发动机振动监测【航空发动机健康管理振动监测技术探讨】
航空发动机健康管理振动监测技术探讨 摘要：随着航空发动机结构越来越复杂化，对发动机的安全性、可靠性提出了更高的要求。采用健康管理技术是保证航空发动机安全、稳定、高效运行的重要手段，能够及时有效的防止重大安全事故的发生，对保证发动机的安全有着重要意义。结合大型航空发动机机载振动监测研制需求，提出了机载健康管理振动监测系统硬件设计关键点，根据机载振动监测实时性要求，采用多线程技术设计了健康管理振动监测软件，实现了对发动机机载振动实时监测告警的功能。并在某型发动机上完成了与地面振动采集设备的振动对比试验，试验结果表明机载健康管理振动监测数据准确有效。
经多年的使用和大量的故障研究表明，发动机的故障对飞行安全有很大的影响，尤其在振动方面，发动机结构复杂，振动故障的模式多样，振动故障一旦发生酿成事故，所造成的影响和后果也不堪设想[1][2]。因此对发动机的振动状态的监测与振动故障的诊断也受到各国的高度重视。国外有关资料报道，采用健康管理的方法，可发现发动机工作中的34％的机械故障[3]，节省75％的维修费用[4][5]。因此，健康管理振动监测与分析已成为保证发动机安全的重要措施之一。发动机健康管理技术主要监测发动机参数、判断发动机故障，这里主要针对发动机机载振动方面进行阐述。通过对发动机多点振动进行实时监测，记录不同状态下的振动数据，以便采用多种分析手段获取发动机的振动特征,为发动机振动故障模式判别打下坚实基础，对保证飞行安全、提高飞机的完好出勤率将起到重要的作用。目前，军用发动机健康管理技术在航空发达国家已得到广泛的应用，而我国大型军用健康管理技术的应用研究还处于起步阶段，特别是在发动机机载振动监测和诊断技术方面[6]。本文针对大型军用发动机，提出了发动机健康管理振动监测硬件设计要点，设计软件实现了机载振动实时监测与告警功能。
1航空发动机振动监测研制需求 机载振动监测是航空发动机健康管理系统的重要组成部分，能够为发动机故障诊断和寿命管理等重要功能的实现提供依据，是健康管理的重要功能之一，为航空发动机由定期维护向视情维护模式的转换奠定了基础。航空发动机健康管理振动监测系统在飞行过程中连续的实时记录发动机振动数据和其他参数，能够对故障特征进行对比分析，并根据实时振动值向飞机座舱发出告警信息，飞行结束后，使用地面设备对存储的振动信息进行回放分析。综上所述，健康管理振动监测系统的应具备如下功能：①发动机振动信号进行实时采集和记录；
②振动数据发送至飞机座舱实时显示；
③监控发动机振动状态，出现振动故障时进行告警。
2发动机健康管理振动监测系统设计 目前大型军用发动机仍使用传统监测振动总量的方式进行监控，不能对振动故障特征进行实时分析。本文针对某大型发动机，设计了健康管理振动监测系统，提出了机载健康管理振动监测系统硬件设计要点，并设计了健康管理振动监测软件，实现对机载振动实时处理分析、告警与存储的功能。
2.1机载振动监测硬件 机载健康管理振动监测系统硬件主要由振动传感器、振动采集单元、数据存储单元组成。振动监测系统中采用加速度振动传感器。振动采集单元与数据存储单元均为机载设备，采用国产自研方式实现硬件的研制。健康管理振动监测系统中采用的加速度传感器，与传统速度传感器相比，具有体积小、质量轻、频响范围宽等优点[7][8]。这里采用ENDEVCO加速度传感器测量发动机风扇与涡轮位置的振动。振动采集单元主要对振动信号进行处理，将压电式传感器发出的电荷信号转换放大为时域电压信号[9]，进行快速傅立叶变换和相关运算后输出，振动采集单元主要由电荷放大器、滤波器、采集器、信号分析等部分组成。这里主要对振动采集单元硬件设计提出三项关键设计要点。第一，需要设计高通滤波器。在发动机运转状态下，加速度振动传感器易受到温度影响，输出类似直流电的信号，造成振动采集单元接收的振动信号过大，会在低频区域产生影响。在试验过程中出现了此类问题，发动机运行状态下，在低频区域出现了较大的振动幅值，直流分量加速度高达360G，影响振动的测量。所以在振动采集单元中需要设计高通滤波器，采集频率下限设置应不小于1Hz。第二，需要设计适当的低通滤波器和振动采集范围。发动机运行环境复杂，会在高频区域产生很高的加速度值，会出现信号饱和问题。如图1所示，在发动机运行过程中，涡轮垂直测点测量的振动值出现异常。经分析发现，由于振动测量值振动总量过大，且直流分量过高，导致电荷放大器出现饱和现象。图1中下方振动显示由于电荷放大器逐渐恢复过程产生的波形。所以在设计硬件时需要采用合适的振动采集范围，同时需要设计低通滤波器处理多余的过高的振动频率幅值。第三，设置合适的采样频率，避免混叠现象出现。信号处理部分主要完成快速傅立叶变换的工作，提取振动信号在特定频率的幅值。在得到的原始振动数据的频谱中，除需关注的对应故障特征的振动频率外，还可能包含很多其他成分，且信号的幅值较大，需要进行处理。根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于所采样信号带宽的二倍时[10]，才能避免出现信号混叠现象。所以，在硬件设计中，需要根据信号带宽，选择合适的采样频率。在工程应用中，一般使用采集带宽的四倍作为采样频率[11]，才能准确测量振动。
2.2健康管理振动监测软件设计 健康管理振动监测软件主要实现振动信号处理分析、实时显示、实时告警和振动数据存储的功能，存储数据包括振动信号基频，振动特征倍频，同时记录对应时刻的转速、温度等重要参数。发动机机载振动告警的延迟可能导致飞机不可挽回的重大事故[12]，所以机载振动告警必须具有高实时性。但同时要采集、存储发动机振动数据，这将占据系统的时间，在与保证实时性方面存在矛盾。所以，这里采用多线程技术解决振动监测实时性问题[13][14]。多线程技术，即在一段时间内并行执行多个任务，该技术能够有效的提高执行效率[9]。机载振动监测软件包括数据接收、处理分析和数据存储三个任务，使用多线程思想，在一段时间内并行执行，加快程序的反应速度，保证系统的实时性要求。系统具体的设计流程如图2所示。健康管理振动监测软件采用缓冲池[15]存放接收到的数据，并使用信号量机制完成多线程的操作。健康管理振动监测软件数据接收任务采用端口监听方式接收数据包，将解析数据放入数据缓冲池中。处理分析任务完成于故障特征的符合性分析，当振动超限时，发出告警信号。数据存储任务主要实现振动数据的存储功能，通过从数据缓冲池中获取数据，并将所需数据进行记录。系统设置了时间片轮转的调度方式，优先级以及周期时间等属性。同时为保证数据的实时性，数据接收任务设置最高的优先级。在保证数据准确的前提下，执行处理分析任务。数据存储任务设置最低的优先级，在其他任务完成后在空闲时间完成该任务。
3试验验证 为验证航空发动机健康管理振动监测系统，将上述设计系统与地面振动采集设备进行对比试验。
3.1试验方案 在某型发动机上使用机载健康管理振动监测系统测量振动值，同一时段使用地面振动采集设备（MEGGITT公司数据采集卡与分析软件）对相同位置振动传感器信号进行测量，将两组测量结果进行对比分析。试验方案连接如图3所示。由于发动机不同的时刻相同的转速下的振动值不相同，需要同时测量。但由于压电式振动传感器输出为电荷量，无法同时连接两套测试电路。所以，要求发动机在固定转速下运行5～10分钟，当发动机稳定后，使用地面设备记录发动机涡轮垂直测点振动基频幅值，断开连接电路，在转速不变的前提下，接入机载健康管理振动监测系统，记录相同位置振动基频幅值。在发动机不同转速段下运行多次试验，对比振动测量结果。
3.2试验结果分析 健康管理振动监测系统与地面振动采集设备测量的振动幅值结果进行对比，如表1所示。从表中可以看出使用两套设备测量的振动幅值一致，表明使用机载振动监测系统能够实现发动机振动监测功能。
4结论 本文提出了航空发动机健康管理振动监测系统在硬件的设计要点和软件设计，并在某型发动机上开展了验证工作，试验结果表明，航空发动机健康管理振动监测系统实现了机载振动信号采集、振动处理存储和实时告警等功能，为发动机安全提供了有利的保证，为振动特征提取和故障诊断提供了理论依据。航空发动机健康管理振动监测系统能够解决现阶段机载振动实时监测告警的需求。但是基于振动信号的发动机故障诊断技术仍不成熟，还需在该领域进行深入的研究。
作者：杨旭 张瑞 单位：中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所
