基于信号时频特征的直升机传动轴异常振动监测方法

刘忠超,程 承,殷 鹏

(1.中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001;2.陆装驻景德镇地区军代室,江西 景德镇 3330002)

0 引言

振动信号监测是直升机振动监测系统、HUMS系统的基本功能。一般在机体特定位置布置振动传感器测量振动信号,从振动信号中提取峰-峰值、频率峰值等特征参数,建立振动特征与故障模式之间的模型,达到故障监测的目标。

英国民用航空局颁布的直升机振动健康监测指南(CAP 753)给出了通用的直升机振动监测参数,详细要求如表1所列。

表1 CAP753振动监测参数

表1所述方法基本涵盖了直升机的振动源,可以满足一般的振动监测需求。但是依赖已有知识库且缺少实时告警策略的特点,决定了其对于未知振源或机理的异常振动缺乏识别和预警能力。

现有直升机振动监测研究多集中于已知故障类型的信号特征提取算法,但对工程领域未知振源的振动监测方法研究相对较少。李辉[1]基于EMD和功率谱方法,在功率谱中成功提取了齿轮啮合频率的边频带频率,准确识别出输出轴齿轮存在损伤。康丽霞[2]对花键连接的超临界轴稳定性进行了理论分析和试验研究,给出了临界转速频率的振动位移作为传动轴失稳与否的特征。吴飞、丁军等[3]基于VMD和PSO-SVM方法针对汽车传动轴系的不平衡、不对中和松动故障,进行了故障模拟和振动信号特征识别。Paula J.Dempsey[4]在直升机传动系统齿轮健康诊断方法综述中提出了振动数据特征提取算法和阈值设计原则,对工程应用提供了有益的指导。但上述研究均限于识别已知的传动轴故障,不能有效识别突发的未知振动故障。

本文针对现有振动监测方法的不足,以直升机尾传动轴失效故障数据为研究对象,通过数据分析总结得出故障特征,提出了基于振动、飞参数据,综合频谱特性检查、伯德图、轴心轨迹分析[5]的振动监测方法,达到监测尾传动轴失效故障的目标。

本文所述方法可以有效预警直升机传动轴的异常自激振动,提升飞行安全性,并可为其他未知振源的直升机故障振动监测提供技术支撑。

1 直升机尾传动轴失效故障介绍

直升机运转过程中尾传动轴出现异常振动,导致尾传动轴损伤,损伤位置如图1所示。

图1 尾传动轴损伤示意图

直升机尾传动轴由短轴、长轴和膜片联轴节组成,其中传动轴均设计为超临界轴。机载系统记录了飞参信号和机体振动信号,振动数据采样率为1024 Hz,飞参数据采样率为16 Hz。机体振动测试点包括座舱地板、中减平台和尾减速器壳体。中减平台位置的传感器距离尾传短轴最近,振动数据最敏感,因此取该处数据进行分析。

2 直升机尾传动轴故障振动特征分析

2.1 频谱特性检查

直升机地面慢车和空中状态旋翼转速不同,对应的传动轴工作转速基频也不同。选取地面开车和空中飞行的状态,提取传动轴正常与失效架次的振动数据进行频谱分析,检查频谱曲线有无异常频率。频率分辨率为0.125 Hz,频谱带宽为200 Hz。频谱曲线如图2所示。

图2 数据频谱曲线对比

由图2可知,尾传动轴失效架次的频谱与正常架次相比,出现了异常频率46.13 Hz以及3倍频138.4 Hz,且该值恒定,不随旋翼转速增加而变化。地面慢车时,异常频率振幅峰值最高,达到1.387g。空中状态时,异常频率振幅约0.603g,有所减小。

2.2 时频特性分析

尾传动轴失效架次的中减平台振动数据的伯德图见图3。幅频曲线表明,尾传短轴的侧向一阶临界转速频率在46.44 Hz附近;垂向一阶临界转速频率在50.02 Hz附近。尾传短轴垂向幅频曲线的46 Hz峰值是侧向临界转速频率耦合造成的。尾传短轴侧向一阶临界转速频率与频谱分析的异常频率46.13 Hz十分接近。同时,设计资料表明尾传短轴的一阶临界转速频率约为50 Hz,进一步验证了异常频率是尾传短轴的临界转速频率。

图3 伯德图幅频曲线

尾传短轴一阶临界转速频率在中减平台处的振动幅值随时间变化曲线如图4所示。由图可知,随着旋翼转速提升,当尾传动轴转速通过尾传短轴的一阶临界转速频率时,该频率振动突然出现,且振幅达到1.4g。激励频率通过共振区间后,该频率振动仍然保持,振幅稳定在0.8g左右;持续至7000 s时,振幅开始逐步放大,并持续约1700 s;最后该频率振幅突然从2.4g减小到0.01g。

图4 尾传短轴临界转速频率时间-幅值图

2.3 传动轴轴心轨迹

中减平台的振动传感器垂向和侧向安装刚度量级相当,可使用该处振动加速度模拟传动轴的轴心轨迹。图5给出了尾传短轴临界转速频率在中减平台处的轴心轨迹。由图可知,尾传短轴失效架次,自激振动频率的轴心轨迹在早期呈现椭圆形状,侧向振幅大,垂向振幅小,椭圆长半径值与振动数据侧向振幅相同;后期轴心轨迹紊乱,呈现交叉形状,侧向振幅明显大于垂向振幅,侧向和垂向振动存在反相特征。

轴心轨迹侧向明显大于垂向的原因推测如下:一是尾传短轴侧向一阶临界转速频率小于垂向频率,两者相差约3 Hz。该特性使得自激振动以尾传短轴侧向和垂向一阶临界转速频率中较低的一个体现出来。二是未知原因造成尾传短轴侧向一阶临界转速频率运动更容易失稳,而垂向一阶临界转速频率运动不易被激发,稳定性更好。

2.4 趋势分析

针对尾传短轴一阶临界转速频率的异常振动,选取传动轴失效前共4个架次的数据,在相同直升机运转状态下,检查该频率振幅和轴心轨迹的变化趋势。振幅变化如表2所示。轴心轨迹变化如图6所示。由图6和表2分析可知,尾传短轴自激振动的发展趋势如下:

图6 轴心轨迹随架次变化趋势

表2 尾传短轴一阶临界转速频率振幅

1) 46 Hz侧向振幅逐步增加,最后稳定在0.7g～0.8g。垂向振幅除了D架次明显放大外,其他架次均小于0.1g。

2) 加速度轴心轨迹椭圆特征逐步明显,且椭圆长半径逐步增加,椭圆短半径在D-3、D-2和D-5较大,但是D-1长度较小。

3) 结合2.3节图5可知,尾传短轴自激振动发生、稳定、失稳损伤的历程期间,轴心轨迹也经历了不规则椭圆、椭圆、紊乱的过程。尾传短轴轴心保持规则椭圆时,应进行传动轴检查;轴心由规则椭圆过渡到紊乱时,须禁止传动轴运转。

3 传动轴异常振动监测方法

综合上述尾传短轴失效数据分析,本文提出未知振源的传动轴振动监测方法如下:

1) 通过振动数据分析,定位异常频率值;

2) 绘制异常频率振动的时间-振幅历程;

3) 通过振动特征分析,查阅相关设计资料,确定异常频率振动的来源;

4) 提取异常频率振动的特征发展趋势,如本文所述的时间-振幅曲线、轴心轨迹等;

5) 结合异常频率振动的发展阶段,确定合理的振动超限阈值,在结构产生损伤前及时告警。

4 数据验证

选取相同机型的两架直升机数据检验本文所述方法的可行性。为描述方便,两架机分别编号为001、002。尾传短轴的状态为:001架机地面开车出现自激振动,飞行时自激振动持续,振幅维持在0.2g～0.33g。002架机运转正常,未出现自激振动。由伯德图曲线得出尾传短轴一阶临界转速频率如表3所示。尾传短轴一阶临界转速频率对应的时间-幅值曲线如图7所示。尾传短轴一阶临界转速频率对应的轴心轨迹如图8所示。

图7 尾传短轴一阶临界转速频率时间-幅值曲线

图8 001和002号机的轴心轨迹图

表3 尾传短轴一阶临界转速频率

由振动特征分析结果可知:

1) 两架机尾传短轴侧向一阶临界转速频率均略高于垂向一阶临界转速频率。

2) 图7表明通过临界转速时,001号机尾传短轴振动被激励起来并保持稳定,并没有随着轴转速升高而降低;002号机尾传短轴振动被激励起来后,马上随着轴转速升高而降低,振幅不能保持。

3) 图8表明001号机轴心轨迹地面慢车近似为椭圆,飞行状态无规律。002号机轴心轨迹紊乱。其原因是侧向和垂向的振幅值均很小,属于随机振动。因此,轴心轨迹仅能用于异常频率振动出现后的趋势跟踪。

4) 由上述分析可知,002号机尾传短轴未出现自激振动现象。001号机尾传短轴出现了持续的自激振动。地面慢车状态轴心轨迹呈椭圆形,但不稳定。飞行状态垂向振幅较小,相位与侧向相位不同步,表明001号机处于自激振动的早期阶段。

5 结论

本文基于典型的直升机传动轴失效故障数据,提出了一种传动轴异常频率振动的监测方法,并使用试飞数据进行了验证。本文提出的方法可以:

1)有效识别直升机传动轴的自激振动频率。

2)有效揭示传动轴自激振动剧烈程度的发展趋势,明确自激振动的主要表现形式。对于本文分析的失效架次振动而言,尾传短轴一阶临界转速频率的侧向运动是其能量耗散的主要形式,垂向运动是由侧向运动引起的。自激振动发生时,尾传短轴的垂向运动稳定性较好,振幅不易变大或发散。

3)本文所述方法不限于传动轴的振动监测,对于其他旋转机械的未知振源异常振动监测也具有借鉴意义。