CN103134582B

CN103134582B - 航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法

Info

Publication number: CN103134582B
Application number: CN201210563304.XA
Authority: CN
Inventors: 李国鸿; 张永峰; 李飞行
Original assignee: Chinese Flight Test Establishment
Current assignee: Chinese Flight Test Establishment
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103134582A

Abstract

本发明提供一种航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法。本发明技术方案包括：采集待跟踪信号的频率f_td(n)，根据f_td(n)计算待跟踪信号的周期T_td(n)；将采集的当前的振动加速度信号s_v(n)输入缓冲区，对缓冲区进行更新，得到序列s_v，b；从s_v,b中截取时长为的数据序列s_v，td，其中，M₁为整数；在完成数据截取后，对截取的数据序列s_v,td进行采样率为重采样操作，得到数据序列s_v，rs，其中，M₂为整数；对数据序列s_v,rs进行FFT和谐波分解操作，得到序列A_v，然后利用序列A_v和采集的待跟踪信号的频率f_td(n)计算A_vsp。

Description

航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法

技术领域

本发明属航空发动机整机振动监视技术，涉及一种航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法。

背景技术

安装在飞机或台架上的航空发动机，是一个无限多自由度的振动系统，所谓发动机的整机振动，就是这一系统在各种激振力作用下的响应。整机振动是影响发动机寿命和飞行安全的决定性因素。对航空发动机整机振动进行监控，可以为航空发动机正常和安全使用提供有力保障。

在航空发动机整机振动测量、试验、分析中涉及的振动特征量大致可以分两类，振动总量和振动分量。振动总量一般指在一定带通范围内测量的振动信号，振动分量一般是经跟踪滤波等分析得到的单一频率的振动信号。与振动总量相比，振动分量与特定频率对应，可以更明确反映所关心频率分量振动水平的变化情况，便于故障分析定位。在振动分量监视中，由于转子转速会随着发动机状态的变化而变化，必须通过跟踪滤波等方法实现振，因此与总量监视相比，分量监视的难度较大。目前我国在航空发动机整机振动监视中，主要为总量监视，分量参数并未在机载振动监视中实施。

目前，由于压电式加速度测量系统具有频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好、使用温度范围宽、抗外磁干扰能力强等优点，在航空发动机振动测试，尤其是飞行试验中被普遍采用，因此利用振动试验中压电式加速度系统获得的加速度信号和转速信号，通过数值计算的方法得到速度分量单峰值大小是必要的。

发明内容

发明目的：提供一种航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法。

技术方案：一种航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法，包括：

采集待跟踪信号的频率f_td(n)，根据f_td(n)计算待跟踪信号的周期T_td(n)；

将采集的当前的振动加速度信号s_v(n)输入缓冲区，对缓冲区进行更新，得到序列s_v,b；

从s_v,b中截取时长为的数据序列s_v,td，其中，M₁为整数；

在完成数据截取后，对截取的数据序列s_v,td进行采样率为重采样操作，得到数据序列s_v,rs，其中，M₂为整数；重采样过程用sinc函数插值的方法实现，插值公式为：

s_{v, rs} (m) = Σ_{n = 0}^{N_{td} - 1} s_{v} (n) \frac{\sin (π (m T_{s, sv, rs} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv})}{π (m T_{s, sv, rsa} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv}} m = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M_{td, rs} - 1

对数据序列s_v,rs进行FFT和谐波分解操作，得到序列A_v，然后利用序列A_v和采集的待跟踪信号的频率f_td(n)计算A_vsp，计算公式如下：

A_{vsp} (n) = | FFT (S_{v, rs} (2^{M_{1}})) | / 2^{M - 1};

其中，A_v:s_v,rs的谐波分解结果；

A_vsp:与f_td(n)对应谐波的加速度单峰值。

有益效果：本发明专利有以下两大优点：

其一，由于发动机阶比与转速保持恒定联系，因此阶比分析可以对一般频谱分析很难实现的发动机起动、停车、加速、减速等过渡态的振动特征信息进行提取。一般的频谱分析方法都是以FFT为基础的。当发动机工作于过渡态时，其时域振动信号是非平稳信号，不满足FFT分析对信号的平稳性要求。因此，一般的频谱分析方法不能处理发动机起动、停车、加速、减速等过渡态的振动信号，也就不具备提取发动机过渡态振动特征信息的能力。而阶比分析通过恒定角度增量将时域的非平稳信号转变为角域的平稳信号，可以用来处理发动机过渡态的振动信号，并在此基础上提取其特征信息。

其二，利用阶比分析中普遍采用的恒定角度增量采样和FFT技术，可以克服传统FFT技术由于“泄露”等固有缺陷造成的频谱分量幅值误差，保证监视分量的精度。一般频谱分析方法的误差有三种，分别是混叠现象、栏栅效应和截断效应。混叠现象可以通过采样前的抗混叠滤波消除。栅效应可以通过提高信号采样率的方法保证。截断效应则可以通过适当的加窗处理来尽可能地消除。但由于等时间间隔采样和过渡态发动机转速变化的原因，与发动机转速相关的特征量(基频、倍频等)由于截断效应所带来的误差是必然存在且不是固定不变的。阶比分析技术以转速而不是时间，以频谱上的阶比而不是频率作为关注重点，因此一般阶比谱图上，信号的幅值或频率是阶次的函数，在发动机状态变化时，某一阶次的谐波成分就固定在一独立的谱线上，不会随转速的变化而变化，避免了一般通用频谱分析中出现的谐波混叠效应。此外，由于一般阶比分析技术都采用等角度采样，从理论上来说可以完全消除各阶次谐波分量的截断效应，保证各阶次分量的截断误差。

附图说明

图1为本发明基于阶次跟踪和FFT技术的振动分量跟踪算法示意图。

图2为本发明发动机离线整机振动分量跟踪软件分量跟踪算法实现示意图。

图3为本发明基于DSP的发动机振动分量实时监视系统原理图。

具体实施方式

本发明专利所述计算方法具体实施方式如图1所示。

图1及本节下文中有关参数含义如下所示：

f_td(n):表示待跟踪信号的频率；

T_td(n):n时刻待跟踪信号的周期，大小为f_td(n)的倒数；

s_v(n):由压电式加速度测量系统获得的加速度数据；

s_v,b:缓冲区存储的振动数据序列；

s_v,td:对s_v,b序列进行了截取操作后的振动加速度数据序列；

s_v,rs:对s_v,td实施重采样操作后的数据序列；

A_v:s_v,rs的谐波分解结果；

A_vsp:与f_td(n)对应谐波的加速度单峰值；

M₁:常整数，用来确定截取的数据序列s_v,td的时长；

M₂:常整数，用来确定对s_v,td进行重采样时的采样率；

M:常整数，等于M₁和M₂，用于确定序列s_v,rs(m)的长度；

T_td,max:在发动机整个工作范围内，T_td(n)的最大值；

FFT：快速傅立叶变换。

图1中M₁、M₂、M之间存在以下关系：

M＝M₁+M₂ (1)

要实现图1所示的算法，按照以下步骤逐项实施即可：

第一步，采集待跟踪信号的频率f_td(n)，根据f_td(n)计算待跟踪信号的周期T_td(n)；将当前的振动加速度信号输入缓冲区，对缓冲区进行更新，得到序列s_v,b。s_v,b大小以最小能存储时长为的数据为最低限度。本操作的主要目的是保证后续截断、重采样、FFT、以及谐波分解时需要数据序列的长度能满足各自的操作要求。

第二步，从s_v,b中截取时长为的数据序列s_v,td。本操作的主要目的是保证数据序列s_v,td的长度满足要求，为后续的频谱分析做准备。如果s_v,td长度过小，后续的重采样和FFT操作，尤其是FFT操作就不能顺利实施；如果s_v,td长度过大，会严重影响整个算法的效率。

第三步，在完成数据截取后，对截取的数据序列s_v,td进行采样率为重采样操作，得到数据序列s_v,rs。本操作主要目的是利用阶比分析中普遍采用的恒定角度增量方法，消除FFT中由于“泄露”等因素造成的频谱分析误差，保证监视分量的精度。重采样过程可以用sinc函数插值的方法实现，插值公式见式(2)。

s_{v, rs} (m) = Σ_{n = 0}^{N_{td} - 1} s_{v} (n) \frac{\sin (π (m T_{s, sv, rs} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv})}{π (m T_{s, sv, rsa} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv}} m = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M_{td, rs} - 1 - - - (2)

第四步，对s_v,rs进行FFT和谐波分解操作，得到A_v，然后利用序列A_v和待跟踪信号的频率f_td(n)计算A_vsp。利用s_v,rs获得A_vsp的计算公式如式(3)所示。式(3)中A_vsp(n)与f_td(n)中n的含义相同。式(3)中，FFT(·)表示进行快速傅立叶变换，|·|表示取模运算。本操作的主要目的是最终实现分量跟踪，并获得所需分量单峰值。

A_{vsp} (n) = | FFT (S_{v, rs} (2^{M_{1}})) | / 2^{M - 1} - - - (3)

实施例1

本实施例所述为个人电脑使用环境下开发的基于阶比分析和FFT技术的航空发动机离线整机振动分量跟踪软件。该软件振动数据和转速数据来自不同的文件，且具有不同的采样率。

如图2所示为某发动机离线整机振动分量跟踪软件功能示意图。

图2中有关参数含义为：

n(n)：转速数据序列；

a(n)：振动数据序列；

n_s(n)：时间同步后的转速数据序列；

a_s(n)：时间同步后的振动数据序列；

a_sb(n)：缓冲区振动数据序列；

a_sb,rs(l)：完成了等角度重采样的振动数据序列；

a_sb,rs,w(l)：完成了等角度重采样和数据截取后的振动数据序列；

A_sb,rs(m)：序列a_sb,rs,w(n)的复频谱；

A_sb,rs(m)：序列a_sb,rs,w(n)的谐波分解结果。

图2中首先对n(n)和a(n)进行时间同步处理的主要原因是n(n)和a(n)来自两个不同的数采系统，采样率不同且差别很大。对n(n)和a(n)进行时间同步的主要依据是转速数据文件和振动数据文件中记录的时间信息来自同一个时标系统。

图2中对振动数据设置一个缓冲区的主要是为后续的FFT做准备。该缓冲区每一个状态对应n_s(n)某确定时刻的值。与一般的FFT不同，该缓冲区的大小除了必须考虑FFT分析的块大小要求，同时还要考虑重采样和截断的一些特殊要求。

实施例2

本实例所述为以DSP为基础的发动机振动实时监视系统，图3为系统原理图。

图3中，振动信号和转速信号分别通过振动信号输入接口、转速信号输入接口输入。随后振动信号进入振动信号模数(A/D)转换器；转速信号转换为与转速频率成比例的电压信号后进入转速信号模数(A/D)转换器进行采样。然后，转换为数字量的转速、振动信号输入DSP进行处理。DSP处理结果分三路，一路通过数模(D/A)转换器转换为模拟电压量，通过模拟接口输出；第二路直接输出给数字接口，并通过数字接口输出；第三路输入到存储单元，进行实时存储。存储在存储单元的数据可以通过数据下载接口输出。该系统中还有一个CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)单元，该单元的主要功能是完成DSP与振动信号A/D、转速信号A/D、模拟量输出D/A、存储单元等模块的时序与逻辑控制。

利用图3所示系统的DSP实现图1所示基于阶次跟踪和FFT的振动分量跟踪算法后，该系统就具备了对发动机振动分量进行实时监视的能力。

Claims

1.一种航空发动机整机振动分量跟踪数值计算方法，其特征在于，包括：

从s_v,b中截取时长为的数据序列s_v,td，其中，M₁为整数；

s_{v, rs} (m) = Σ_{n = 0}^{N_{td} - 1} s_{v} (n) \frac{\sin (π (m T_{s, sv, rs} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv})}{π (m T_{s, sv, rsa} - n T_{s, sv}) / T_{s, sv}} m = 0,1, \cdot \cdot \cdot, M_{td, rs} - 1

A_{vsp} (n) = | FFT (S_{v, rs} (2^{M_{1}})) | / 2^{M - 1};

其中，A_v:s_v,rs的谐波分解结果；

A_vsp:与f_td(n)对应谐波的加速度单峰值。