基本信息
- 项目名称：
- 航空发动机整机振动故障诊断系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品以航空发动机转子系统模型试验台和故障模拟试验器为物理对象，针对经常发生的几类主要的航空发动机整机振动故障，研究了其振动信号的硬件测试系统构成、振动信号的分析方法和故障特征的提取方法。创新性地研究了航空发动机整机振动定量诊断技术，形成了航空发动机整机振动故障诊断系统。
- 详细介绍：
- 航空发动机整机振动故障诊断系统主要包括振动监测的硬件系统、基于MATLAB平台的分析和诊断算法软件包。其中监测硬件系统主要包括针对模型级、部件级和整车试验器的具体情况选择适用的传感器、配置合理的采集系统、研制监测系统流程和数据库。算法软件包主要包括：(1)固有特性分析软件包：用于计算航空发动机转子系统的固有特性(考虑不同支承条件下的临界转速和振型)；(2)振动信号分析软件包：对发动机振动测试及仿真数据进行时域分析、FFT、HHT、小波变换等处理，计算最大Lyapunov指数，替代数据法分析，Poincare映射分析等；(3)定量诊断分析软件包：基于整机振动故障的定性诊断和故障动态仿真，进行不同故障的定量识别(如碰摩位置确定、不平衡质量识别、碰摩力和碰摩位置关系)。 本作品旨在通过对航空发动机整机振动故障诊断系统的研究，形成了一套较全面的航空发动机整机振动故障诊断的软硬件系统框架，并完成若干关键内容。将所取得的研究成果在国内航空发动机设计和制造单位中加以应用，满足现实需求，提高发动机研制和维修效率，具有直接的经济效益和社会意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 设计发明目的和基本思路 现代航空发动机的整机振动对其适航性和结构完整性影响巨大，以转子系统振动超标为主要特征的整机振动故障会严重影响发动机的可靠性。近年来，航空发动机在新机研制和大修的不同阶段，对整机振动的要求越来越严格。 本作品以航空发动机转子系统模型试验台和故障模拟试验器为物理对象，针对经常发生的几类主要的航空发动机整机振动故障，研究了振动信号的硬件测试系统构成、振动信号的分析方法、故障特征的提取方法。借鉴指导教师提出的基于模型的定量诊断理论，创新性地研究了航空发动机整机振动定量诊断技术，形成了航空发动机整机振动故障诊断系统。 2. 创新点 (1) 提出合理有效的故障监测手段； (2) 对检测到的信号进行特征分析和提取； (3) 确定故障位置和程度，实现故障参数的量化识别。 3. 技术关键和主要技术指标 (1) 测试/监测硬件系统。振动测试试验系统使用的传感器动态响应快、精度高。数据采集系统高速、精确。测试仪器和设备频率范围宽，至少10kHz。 (2) 振动信号分析与特征提取算法。针对航空发动机整机振动测试信号，基于MATLAB软件平台，研究了航空发动机整机振动故障分析方法，能够对整机振动故障进行信号分析和特征提取。 (3) 定量诊断方法。航空发动机转子系统振动故障的定量诊断是指在定性诊断的基础上，对故障位置、故障程度以及相关的故障参数进行量化识别的过程。定量诊断可以实现多种故障的识别、获得故障特征参数的量值、从而定量刻画故障程度。
科学性、先进性
- (1) 设计了航空发动机整机振动故障监测系统，利用传感器、信号调节器(二次仪表)、采集系统以及以计算机为中心的处理系统对振动故障信号进行监测。使用的电涡流位移传感器、加速度传感器、采集系统等工作可靠，使用方便，适合于试验台使用。 (2) 航空发动机整机振动信号分析软件包包括了时域分析，频域分析，FFT，HHT变换，小波变换和非线性参数估计，这些方法可以对振动信号进行分析，相互验证，有利于故障特征提取。 (3) 航空发动机整机振动信号分析软件系统所包括的分析方法可行性强，部分研究成果已在本实验室的科研工作和相关单位的振动分析实验室中得到初步应用，取得很好效果。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、磁盘、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点和优势 (1) 航空发动机整机振动故障诊断分析基于计算机的数字信号采集系统，能够较准确地对整机振动故障进行分析和特征提取； (2) 基于有限元模型仿真的整机振动故障的定量诊断算法能够对航空发动机其故障位置和严重程度等进行有效识别； (3) 航空发动机整机振动故障的监测和诊断系统已经在几种不同的模型试验器上得到应用，结果可靠，解决了工程实际问题。 2. 适用范围 航空发动机、燃汽轮机、汽轮发电机组等大型旋转机械。 3. 市场分析和经济效益预测 (1) 航空发动机整机振动故障诊断软件系统逻辑性强，条理清晰，能够全面准确地对故障信号进行分析和特征提取，并针对一定的故障进行定量诊断，可重复性和稳定性能进一步保证产业化的实现。 (2) 该系统的适用范围将有利于拓展潜在市场。航空发动机整机振动故障诊断系统的设计理念、方法和所用测试技术可以很容易得移植到各种大型旋转机械的故障诊断中，这必将吸引更多的潜在适用行业进行技术提高。
同类课题研究水平概述
- １．航空发动机振动故障诊断相关技术现状 旋转机械的故障诊断对其安全运行具有重要意义，国内外科技工作者正致力于故障诊断的研究，主要是通过实测振动、应力、压力、温度等参数，结合现场经验和专家分析，从FFT、小波变换等故障信号分析与处理方法到神经网络、专家系统等诊断决策，以及对各种故障诊断仪器设备和监测与诊断系统的开发，都取得了许多重要的研究成果。各种诊断方法在发动机安全运行中都起到了非常重要的作用。发动机的监测包括性能监测、机械状态监测、滑油监测、极限状态监测、无损监测等。目前比较常见的航空发动机故障分析方法有：时域分析、频域分析、小波分析、HHT分析、小波分形等。 时频分析方法已被广泛地应用到旋转机械的故障诊断中，小波分析方法具有可变的时频窗口，使其既能对非平稳信号中的短时高频成分进行定位，又可以对低频成分进行分析。因此，小波分析被广泛地应用于非平稳信号的分析。HHT变换是一种新的具有自适应的时频分析方法，根据信号的局部时变特征进行自适应的时频分解，消除了人为因素，克服了传统方法用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷，并可得到极高的时频分辨率，具有良好的时频聚集性，非常适合对非平稳、非线性信号的分析。 ２．旋转机械振动故障的定量诊断技术 目前的诊断技术大多属于定性诊断技术，一般只能诊断故障的有无及故障的类型。而目前工业生产的发展要求是故障的精确定量诊断，在定性诊断的基础上需要进一步向定量诊断的方向发展：(1)在工程上，检修试车过程中能够快速定位、进行故障参数和故障程度的量化识别，设计过程中能够通过对不平衡定量识别实现振动定量分析等；(2)从技术创新和进步的角度，需要对故障位置准确定位，实现故障参数的量化识别，进而能够对故障程度进行量化评价。 在转子系统故障诊断的定量分析方面，目前代表性研究成果还有：王庆禹等直接采用对声发射信号进行分析实现碰摩定位。Bachschmid等采用基于模型的诊断理论结合最小二乘法对转子系统的多种故障进行了定位研究。Markert等采用铁木辛柯梁单元建立转子系统模型，结合模态扩展理论定量诊断碰摩故障。褚福磊等还提出利用动刚度的变化以定位碰摩。韩清凯等提出基于有限元仿真和实测综合的碰摩力辨识方法，实现了碰摩故障定位。Sekhar等采用定量诊断理论对转子系统的横向裂纹以及斜向裂纹进行诊断。
