CN111027426A - 一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体涉及一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法，解决当转速传感器出现故障时，无法继续获取振动信号基频幅值的问题。当转速传感器正常工作时，选择外部转速传感器数据作为振动信号基频的频率值，然后再根据数字信号处理方法(比如“同步时域平均”、“相关法”或其他改进方法)获取基频振动幅值。当转速传感器信号故障时，选择通过总线接受的控制器有效通道发送转速信号为振动基频的频率值。通过FFT方法计算振动信号幅频特性，然后在转速频率为中心的一定频率范围内，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，此幅值即为转速基频振动幅值信号。提高系统容错性，对分析发动机振动监控具有重要价值。

Description

一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法
技术领域
本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体的说是一种航空发动机基频振动幅值计算方法，用于航空发动机振动告警时，振动基频/倍频幅值的准确求取。
背景技术
振动信号是反映发动机工作状态的重要信号之一，振动信号包含了系统大量的运行状态信息。目前，振动信号处理是诊断航空发动机故障的一种有效方法，绝大多数结构强度方面的故障都与振动信号有密切的关系。因此，发动机振动监测是状态监控与故障诊断的一项重要内容。通过相关的传感器，可以采集到发动机的各种振动信号，通过对振动信号的振幅、振动烈度、相位等参数的实时检测，结合振动信号的固有特征，可实时监测发动机的运转情况，避免大事故发生给企业造成损失。因此，振动信号的频谱信息对发动机的动态特性和故障特性有着重要的意义，研究振动信号频率测量方法具有非常重要的工程意义。
传统的振动信号基频幅值计算硬件架构如图1所示。此硬件架构对应的软件方法如图2所示，这种方法称为“相关法”，能够高精度的获取振动信号幅值信息，计算量小，特别适合机载计算机。
这种方法缺点是：当转速传感器出现故障时，这种方法失效，无法继续获取振动信号基频幅值，影响航电系统告警显示，有可能影响飞行安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法，以解决现有技术中当转速传感器出现故障时，无法继续获取振动信号基频幅值的问题。
本发明的技术解决方案是提供一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法，包括以下步骤：
步骤一、判断转速传感器信号是否有效，若有效，按照时域同步平均或相关算法计算振动信号基频幅值，否则，进入步骤二；
步骤二、选择控制器中有效的转速信号；
步骤三、通过FFT方法计算ΔT时间内振动信号幅频特性；
步骤四、根据控制器中有效的转速信号计算ΔT时间内转速信号的平均值，将该平均值作为振动基频的频率值；
步骤五、在以振动基频的频率值为中心的一定频率范围内，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，此幅值即为振动基频的频率值对应的振动信号基频幅值。
进一步地，步骤五中一定频率范围通过以下方法获取：
a、ΔT内的多个有效转速信号的最大变化范围Δf或ΔT内的多个有效转速信号的最大变化范围Δf×N；
b、根据发动机在ΔT内的理论最大加速性能Δf'或发动机在ΔT内的理论最大加速性能Δf'×N；
其中N为正整数。
进一步地，N＝2。
进一步地，步骤三中FFT方法使用的振动数据量为
Figure BDA0002294195670000021
fs为采样率。
本发明的有益效果是：
当转速传感器出现故障时，传统方法失效，无法继续获取振动信号基频幅值，有可能影响飞行安全，本发明方法在转速信号正常工作时能够高精度的提供基频振动幅值信息，等当转速信号故障时通过获取电子控制器发送过来的数字转速信息，通过FFT方法获得振动基频振动幅值，提高系统容错性。
附图说明
图1是传统的振动信号基频幅值计算硬件架构图；
图2是振动信号相关处理算法示意图；
图3是本发明分布式电子控制器和振动监控装置硬件架构图；
图4是本发明振动信号基频幅值计算流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
请同时参阅图3与图4，其中图3为分布式电子控制器和振动监控装置硬件架构图，图4是本发明振动信号基频幅值计算流程图。
如图3，发动机机载振动监控装置外接转速传感器和振动传感器，并和电子控制器内A/B通道分别通过总线连接，接受包括转速在内的发动机相关参数。
如图4，本发明通过如下过程实现：
判定外部连接转速传感器是否正常工作，当振动监控装置判定外部连接转速传感器正常工作时，选择外部转速传感器数据作为振动信号基频的频率值；然后再根据数字信号处理方法(比如“同步时域平均”、“相关法”或其他改进方法)获取基频振动幅值。
当振动监控装置判定转速传感器信号故障时，选择通过总线接受的控制器有效通道发送转速信号为振动基频的频率值。通过FFT方法计算振动信号幅频特性，然后在转速频率为中心的一定频率范围内，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，此幅值即为转速基频振动幅值信号。以避免基频振动丢失，提高系统容错性。
控制器有效通道判定条件为控制器自身发送给振动监控装置的数据，即控制器自身判定那个通道转速信号有效并发送给监控装置。在转速频率为中心的一定频率范围内，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，一定的范围是指：FFT使用的振动数据产生的时间ΔT内，转速频率的最大变化范围Δf，或Δf×N(N一般为2)，Δf可以来自于控制器计算结果，也可以是发动机设计最大转速变化(时间ΔT内)。
以某涡扇发动机机载振动幅值为例进行具体实施的说明。
某涡扇发动机机载振动监控装置(EMU)外接2路转速传感器(包括低压转子转速传感器N1、高压转子转速传感器N2)和3路振动传感器(分别为1号轴承座、中介机匣、涡轮后机匣振动传感器)，并和电子控制器(EEC)内A/B通道分别通过RS422总线连接，接受包括2路转速在内的发动机相关参数，通讯周期为100ms。
当EMU处理器判定外部连接任意一路转速传感器正常工作时，比如N1正常工作，选择此路外部转速传感器数据作为振动信号N1基频的频率值，然后再根据数字信号处理方法(比如“同步时域平均”、“相关法”或其他改进方法)获取3路振动信号的N1转速基频振动幅值。
当EMU判定任意一路转速传感器信号故障时，比如N2工作故障，选择来自RS422的EEC有效通道发送的N2值为振动N2基频的频率值。EEC有效通道判定条件为EEC自身发送给EMU的数据，即EEC自身判定哪路N2转速信号有效并发送给EMU。通过FFT方法计算3路振动信号幅频特性，FFT使用的振动数据为1024个，采样率fs为5KHz，ΔT时间为200ms,转速频率的最大变化为Δf，然后在N2转速频率为中心的一定频率范围内(f-2Δf)～(f+2Δf)，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，此幅值即为N2转速基频振动幅值信号。

Claims (4)

1.一种航空发动机振动信号基频幅值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、判断转速传感器信号是否有效，若有效，按照时域同步平均或相关算法计算振动信号基频幅值，否则，进入步骤二；
步骤二、选择控制器中有效的转速信号；
步骤三、通过FFT方法计算ΔT时间内振动信号幅频特性；
步骤四、根据控制器中有效的转速信号计算ΔT时间内转速信号的平均值，将该平均值作为振动基频的频率值；
步骤五、在以振动基频的频率值为中心的一定频率范围内，寻找振动信号幅频特性最大的幅值，此幅值即为振动基频的频率值对应的振动信号基频幅值。
2.根据权利要求1所述的航空发动机振动信号基频幅值计算方法，其特征在于，步骤五中一定频率范围通过以下方法获取：
a、ΔT内的多个有效转速信号的最大变化范围Δf或ΔT内的多个有效转速信号的最大变化范围Δf×N；
b、根据发动机在ΔT内的理论最大加速性能Δf'或发动机在ΔT内的理论最大加速性能Δf'×N；
其中N为正整数。
3.根据权利要求2所述的航空发动机振动信号基频幅值计算方法，其特征在于：N＝2。
4.根据权利要求2所述的航空发动机振动信号基频幅值计算方法，其特征在于：步骤三中FFT方法使用的振动数据量为
Figure FDA0002294195660000011
fs为采样率。
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