双转子系统动静碰摩动力学研究与基于振动加速度的实验验证

基于航空发动机动静碰摩故障的特点,建立双转子系统动静碰摩的动力学模型。模型中充分考虑机匣与轮盘碰撞时的弹性变形、接触渗透及弹性阻尼支撑,应用Hertz接触理论和库伦模型,建立干摩擦情况下双转子系统动静碰摩故障时的运动微分方程。运用四阶经典Runge-Kutta法进行求解,得到碰摩故障下双转子系统的动力学响应。因为实际的航空发动机转子的振动位移不易获取,多是测得轴承座或者机匣的振动加速度,为了提取碰摩状态下轴承座振动加速度特征,建立双转子系统试验台,进行动静碰摩实验,从轴承座测量振动加速度,通过频谱分析和包络谱分析方法,分析了轴承座振动加速度信号中的碰摩特征。结果表明双转子系统动静碰摩时,可将两个激励源的倍频和组合频率成分作为航空发动机动静碰摩故障的典型特征。而且当两个振源的频率值相互接近到20%的时候,双转子系统拍振信号强度较大。动力学仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的双转子系统碰摩模型的正确有效性。     

基于MCSSD的转子碰摩故障早期检测

提出了基于多尺度线调频基信号稀疏分解(Multi-scale Chirplet Sparse Signal Decomposition,简称MCSSD)的转子碰摩故障早期检测方法,该方法用MCSSD方法对转子碰摩故障振动信号进行单次分解,从原信号中分离出具有最大幅值的工频(或倍频)信号分量。由于MCSSD方法是采用线性直线逐段自适应逼近分析信号的各分量频率,分解得到的信号分量与真实信号分量具有很好的频率匹配特性,不会产生频率混叠现象,因此,与小波分解与EMD分解相比,MCSSD能更有效地从转子早期碰摩故障振动信号分离出最具最大幅值的工频(或倍频)信号分量。将该信号分量从原信号中去除,对残余信号分量做频谱分析,即可有效诊断转子早期碰摩故障。应用实例证明了该方法的有效性和优越性。     

形态分量分析在转子早期碰摩故障诊断中的应用

提出了一种基于形态分量分析的转子早期碰摩故障诊断方法,该方法用形态分量分析从转子早期碰摩故障信号中提取出冲击成分。形态分量分析根据信号中各组成成分的形态差异,构建不同的稀疏表示字典对各组成成分进行分离。当转子系统中出现早期碰摩时,其振动信号往往由以转频及其谐波为主要成分的周期成分、包含转子早期碰摩故障信息的冲击成分及随机噪声构成。周期成分表现为信号中的平滑部分,而冲击成分则表现为信号中的细节部分,因此,可根据周期成分与冲击成分的形态差异,用形态分量分析实现二者的分离。对形态分量分析的阈值方法进行了改进,提出了基于半软阈值的形态分量分析,仿真结果表明,基于半软阈值的形态分量分析要优于基于硬阈值的形态分量分析。对某转子早期碰摩故障信号进行了分析,结果表明,基于半软阈值的形态分量分析能有效地提取转子早期碰摩故障信号中的冲击成分,进而诊断转子早期碰摩故障。     

航空发动机转子不平衡下转静碰摩试验研究

为了研究大涵道比涡扇发动机风车不平衡振动问题,设计了刚度可调、频率可调的转子机匣碰摩机构,计算了机匣的刚度与频率并进行了试验测试。在试验与计算比对良好的条件下完成了碰摩试验并对试验数据进行了进动分析。研究结果表明:设计的碰摩机构,能够有效可控地进行风车不平衡状态下持续碰摩试验,重复性好且碰摩特征明显,通过进动分析,风车不平衡下转静碰摩会激起正反进动的超次谐波,以3/2倍频最为明显。研究结果为发动机风车不平衡研究以及转子安全性设计提供重要的数据支撑与试验方案。     

航空发动机转静径向碰摩位置的智能识别技术研究

获取航空发动机转静碰摩位置对于诊断发动机碰摩故障和改进设计具有重要意义,基于航空发动机转子实验器的机匣振动加速度信号,研究了一种基于拉普拉斯特征映射（Laplacian Eigenmaps,LE）结合球结构支持向量机的径向碰摩位置智能识别方法。首先,采用拉普拉斯特征映射算法提取碰摩样本的特征信息,并用网格搜索法优化拉普拉斯特征映射算法的相关参数;然后,将特征样本作为输入到球结构支持向量机分类器,识别不同位置的碰摩样本。最后,利用实测的碰摩数据对此方法进行了验证,并与主成分分析法(PCA)所得特征样本的分类结果进行了比较,结果表明了方法的实用性和有效性。     

基于信号共振稀疏分解与重分配小波尺度谱的转子碰摩故障诊断方法

提出了基于信号共振稀疏分解与重分配小波尺度谱的转子碰摩故障诊断方法。与常规的基于频带划分的信号分解方法不同,信号共振稀疏分解方法根据信号中各成分品质因子的不同,将信号分解成高共振分量和低共振分量。当转子出现碰摩故障时,振动信号往往由以转频及谐波为主要成分的周期信号、包含转子故障信息的瞬态冲击信号以及噪声组成。周期信号为窄带信号,具有高的品质因子,可分解为高共振分量;而瞬态冲击信号为宽带信号,具有低的品质因子,可分解为低共振分量。本文方法先利用信号共振稀疏分解方法从转子碰摩信号中提取冲击成分,再对提取的冲击成分进行重分配小波尺度谱分析,最后根据尺度图中冲击成分的周期诊断转子碰摩故障。算法仿真和应用实例验证了该方法诊断转子碰摩故障的有效性。     

基于加速度信号全谱分析的转子碰摩故障特征提取实验研究

转子在运行过程中的振动加速度信号包含了转子运行状态大量信号，瞬态过程中故障加速度信号特征的提取及其识别对于旋转机械故障诊断是十分重要的。旋转机械振动的全谱分析是一种使一些典型故障尤萁是碰摩故障能被很清楚检测出来的有效方法，本文在对旋转机械转子中的一些典型碰摩故障进行了模拟试验，以及对故障发生过程中的加速度信号进行采集的基础上，对转子故障加速度信号的全谱特性进行了分析，提取和总结出由故障造成的加速度信号突变和对应的谱特征。分析结果表明：采用转子振动加速度信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的。加速度信号全谱图可以丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息，对于更准确地诊断转子中的碰摩故障具有重要意义。     

可调品质因子小波变换在转子早期碰摩故障诊断中应用

针对高速旋转机械转子发生早期动静碰摩故障时主要为转子工频成份及转子与支撑间碰摩所致瞬态冲击信号成份,据可调品质因子小波变换对信号品质因子定义为转子工频成份为高品质因子信号、转子动静碰摩所致瞬态冲击信号为低品质因子信号,分别构建高、低品质因子小波变换基函数实现转子早期动静碰摩信号工频成份与瞬态冲击成份有效分离,对碰摩故障进行模式识别。通过仿真信号及转子碰摩实验信号验证可调品质因子小波变换在转子早期碰摩故障诊断中的有效性。     

转子复合碰摩故障特征提取实验研究

对旋转机械中的一些典型碰摩故障及复合碰摩故障进行了试验模拟,对故障发生过程中的加速度信号进行了采集.在此基础上,对转子故障加速度信号的三维谱特性进行了分析,提取和总结出由故障造成的加速度信号突变和对应的谱特征.分析结果表明采用加速度信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的.加速度信号三维谱图可以丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息,对于更准确地诊断转子中的碰摩故障具有重要的意义.     

基于声振信号EMD分解的轻微碰摩故障诊断方法研究

针对转子系统局部碰摩故障特征及声音振动信号特点,采用一种基于声振信号经验模式分解(Empirical Mode Decomposition简称EMD)的轻微局部碰摩故障诊断方法对滑动轴承碰摩故障进行特征提取。由于EMD分解不需要固定的基函数,根据信号特征自适应的调整,从而实现碰摩特征及旋转激励背景信号自动分解。通过设计滑动轴承缺油工况轴承碰摩试验,并进行振动全息测试分析,将所得声振信号本征模式函数时域特征和边界谱特征与转子径向位移及轴承座加速度信号对比分析,确定了碰摩部件;从而证明基于声振信号EMD分解的碰摩故障诊断方法的有效性。     

航空发动机试飞中转静子碰摩故障信号处理 的希尔伯特－黄变换（HHT）方法

时变信号处理的新方法希尔伯特－黄变换,是把一时间序列数据通过经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,简称EMD）成本征模函数组（Intrinsic Mode Function, 简称IMF）,然后经希尔伯特变换（Hilbert Transformation,简称HT）获得频谱的信号时频分析方法引入到航空发动机转静子碰摩故障振动信号处理领域。该方法的理论和算法为用MATLAB语言编写分析程序,再用仿真信号验证程序的正确性和有效性;然后对飞行试验中获得的故障振动信号进行分析。结果表明,用EMD和HT方法对航空发动机转静子碰摩故障振动信号进行时频分析是有效的。     

HHT统计特征在航空发动机振动分析中的应用

航空发动机振动信号包含了多种振源的振动信号和大量的噪声分量。通过对其进行Hilbert-Huang变换, 将复杂信号分解为代表不同物理意义的单分量固有模态函数（Intrinsic Mode Functions, IMF）,然后对每一个IMF子带信号提取基于能量加权的广义粗糙度特征实现对振动信号的描述。最后将上述特征送入SVM分类器进行训练,根据分类器的输出结果确定航空发动机的工作状态和故障类型。通过对实测航空发动机试车时得到的振动信号的实验分析结果表明,该算法可以有效地识别发动机的振动故障。     

基于EMD和HHT的航空发动机转子—机匣振动信号分析

将EMD和HHT方法引入航空发动机转子—机匣的振动信号分析,某台发动机的台架实测机匣振动信号的分析结果表明,该方法能够比较清楚地再现转静系统碰摩故障随转速和采样周期的演变过程,能够克服傅立叶谱无法同时获得时域和频域信息的缺陷。同时边际谱与傅立叶谱相比能够比较真实客观地反映系统的频率和幅值分布情况。     

某测试系统检查仪频率信号发生电路设计

根据研制某检查仪的任务需求，对某航空发动机转速频率信号、振动频率信号进行分析，设计了模拟相应频率信号的发生电路，用于检查仪的研制。     

压力管道泄漏声发射信号频谱特性实验研究

以水为实验介质,进行了充液压力管道泄漏声发射信号的实验研究。利用小波变换对不同流量、不同泄漏孔径条件下检测到的声发射信号频谱特性进行了分析研究,结果表明充液管道泄漏信号经小波分解后a6级信号的能量占总能量的绝大部分,信号的主要频率成分集中在3.05kHz-3.81kHz左右。     

Acoustic emission monitoring of fatigue in 7010 aluminium alloys

Abstract

Acoustic emission (AE) has been monitored in test pieces of 7010 aluminium alloy containing growing fatigue cracks. Both high-purity and commercial casts were studied in underaged, peak-caged, and overaged conditions, using tension–tension fatigue with R = 0·1 and 0·5, at crack growth rates in the range 0·1–3 μm/cycle. The reduction of grip noise and discrimination of AE events with sources distant from the plane of the crack were achieved by careful design of test piece geometry and clamping, and by the use of two broadband point transducers with calibrated response. Analysis of the load distribution at which AE events occurred at the crack plane showed that most events occurred near peak loading. However, the frequency of detected AE events was sometimes greatly reduced by adding oil to the crack, implying that crack-face rubbing was one source of emission. This was confirmed by fractographic examination and suggests that the practice used by some workers of gating–out all but those signals generated close to peak load in order to eliminate rubbing signals is not necessarily effective. The frequency of events remaining after the removal of rubbing signals was shown to be consistent with the size of the plastic zone at the crack tip, the rate of crack growth, and the inclusion size/density distribution. It is estimated that the fracture of inclusions of area greater than ~40 μm² could be detected by the testing system. The commercial cast contained more inclusions of this size than the pure cast, in proportion to the increased AE event frequency.

MST/184     

非对称温度场对高压转子系统碰摩响应的影响

实际作业的转子系统在发生碰摩故障的同时,经常要承受非对称、非稳定温度场的作用,势必要改变转子系统的碰摩响应特性。以某型航空发动机高压转子系统为研究对象,建立了高压转子停车后自然对流的流-热耦合模型,研究了高压转子不同停车时刻自然对流的流体速度和温度分布。在此基础上,建立了非对称温度作用下具有多自由度的连续转子碰摩响应的有限单元模型,对多种忽略和考虑自然对流温度场影响的碰摩响应结果进行了对比研究。结果表明,当考虑停车温度场影响时,高压转子的碰摩响应增大了系统振动响应的振幅,改变了轴心轨迹的分布,频谱图上的出现了丰富的由碰摩力和非对称温度场所激发的频率成分,振动情况更加复杂。     

基于EEMD和混沌的信号特征提取方法及应用

提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)和混沌相结合的信号特征提取方法,应用于婴儿呼吸信号哮喘检测中。EEMD把呼吸的局部信号分解成一系列频率从高到低的模态分量,对各分量与局部呼吸信号进行相关分析,并给出各分量的Hilbert谱,通过局部分析的结果初步判断婴儿是否患有哮喘;然后,以EEMD局部信号检测出来的信号频率作为混沌振子检测的频率,对全局呼吸信号进行整体检测及分析,由混沌的间歇周期可以得出原始呼吸信号的频率,准确确定婴儿哮喘诊断结果。对EEMD和混沌算法的应用存在的问题进行了改进,将其应用到实测信号的分析中,验证了方法的有效性。该方法能够正确地反映信息特征,准确率高。     

涡轮增压器转子的振动分析及故障诊断

某型汽车涡轮增压器高速转子正常工作时转速每分钟可达十万转，由于该涡轮增压器在使用及出厂实验过程中经常发生转静子碰磨故障，该故障危害严重一旦发生往往导致增压器设备完全报废。针对这一问题，对50多台涡轮增压器进行了振动测试，并对测量信号应用HP3567A进行了频谱分析。根据所测信号自功率谱、瀑布图以及阶次跟踪图的特点，确定了该转子的振动特点，找出其发生碰磨故障的主要原因，为产品的排故提供了依据。