CN112284720B - 基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机声学测试领域，尤其涉及基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法。该方法包括：获取预处理后航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，同时需要采集齿轮旋转轴的转速信号；将预处理的噪声信号作为被测声压信号，利用转速信号对其进行阶次分析，得到阶次分析瀑布图；在阶次分析瀑布图上观测被测齿轮啮合频率附近是否有边频带出现；若出现边频带，提取边频带的特征；根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置。

Description

基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法
技术领域:
本发明涉及航空发动机声学测试领域，尤其涉及基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法。
背景技术
齿轮作为传动部件在机械设备上得到了广泛的应用，同时它也是十分易损的。齿轮的技术状态好坏可以直接影响整个机械设备的运行可靠性。在航空发动机中，中央传动锥齿轮是匹配发动机和附件机构的重要部件，其主要作用是将发动机主轴转速与功率传递给附件装置。由于航空发动机的工作转速高、转速波动性强，从而会极大增加传动系统动载荷。此外，由于工况和温度的变化和负载引起的外部激励等因素的影响，航空发动机中央传动锥齿轮的寿命和强度会受到极大的考验。
目前国内外一般通过采集齿轮振动信号对齿轮装置进行故障监测和故障诊断。齿轮装置在运转状态下，伴随着其内部故障的发生与发展，必然会导致振动加剧以及能量增大等现象。齿轮的啮合频率为该齿轮的转频乘以齿数，啮合频率的幅值以及变频带情况能够很好的反应齿轮的运行状态。由于航空发动机的高转速特点，其中央传动锥齿轮啮合频率最高可达10kHz以上。振动传感器测试带宽由于安装支座的原因受限，此外复杂的测试环境也给振动传感器的安装带来了相当大的困难。因此，对于航空发动机中央传动锥齿轮而言，采用振动信号对其进行状态监测、故障诊断存在很大的难度。
声学信号也是机械设备状态的重要信息，是振动的另一种表现形式，当设备状态发生改变时，其声学特性也会发生改变。声学测试具有非接触、高频响和高灵敏性等优点，目前国内外没有通过声导管系统采集声学信号对齿轮进行故障诊断的方法。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种航空发动机中央传动锥齿轮的故障诊断方法，方法简单，判断准确。
本发明的技术方案是：一种基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
一种基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法，包括：
获取预处理后航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，同时需要采集齿轮旋转轴的转速信号；
将预处理的噪声信号作为被测声压信号，利用转速信号对其进行阶次分析，得到阶次分析瀑布图；
在阶次分析瀑布图上观测被测齿轮啮合频率附近是否有边频带出现；
若出现边频带，提取边频带的特征；
根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置。
进一步的，根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置，包括：
根据啮合频率和边频带的差频，确定齿轮故障发生的位置；
根据差频的幅值特点，确定齿轮发生哪种故障。
进一步的，根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置，包括：
对被测声压信号进行希尔伯特变换，将变换后的包络信号做FFT，同时对被测信号做倒频谱；
将包络信号的FFT谱和倒频谱融合分析，确定齿轮是否故障，以及发生的部位。
进一步的，所获取预处理后航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，包括：
利用声导管系统引出齿轮箱内部噪声，在声导管开孔处通过布置的声压传感器采集噪声信号；
对噪声信号进行零均值化、错点剔除以及消除趋势项的预处理，为信号后续分析做好准备。
进一步的，声导管系统的采样率为200kHz,抗混叠带宽为30kHz。
进一步的，声导管一端连接被测齿轮箱内部，一端与30米长空心封闭铜管相连，声压传感器布置在声导管中间开孔处。
进一步的，被测信号进行希尔伯特变换所使用的中心频率为齿轮的啮合频率，带宽设置为边频带的宽度。
进一步的，将包络信号的FFT谱和倒频谱融合分析，确定齿轮是否故障，以及发生的部位，包括：
观察包络信号FFT谱线的频率成分，观察倒频谱中冲击处坐标横轴时间，并通过求倒数获得频率成分；其中，两者的频率成分反应了故障发生的位置；频率成分的幅值反应了故障的程度；
若该频率成分与主动轮转频相关，说明主动轮发生了故障，若该频率成分与从动轮转频相关，则说明从动轮发生了故障。
本发明的有益效果是：
本故障诊断方法能够应用于普通航空发动机齿轮试验台架上的故障诊断，对于齿轮故障的判断是一种有效的方法；通过融合分析可以对齿轮的故障部位以及故障程度进行判断，可以对齿轮早期故障预警以及齿轮运转过程中进行状态实时监测等提供技术支持。
本故障诊断方法不仅可以应用到航空发动机中央传动锥齿轮中，还可以应用到其他齿轮的故障诊断方面，尤其是燃机、汽车、动车组等中的高转速齿轮的故障诊断。
本齿轮故障诊断方法利用了声学测试的非接触性、高频响和高灵敏性特点，是诊断航空发动机中央传动锥齿轮的重要手段；同时此方法较通过振动传感器测试进行故障诊断而言，不需要考虑振动传感器测试带宽由于安装支座的原因受限的约束，也不需要考虑复杂的测试环境给振动传感器安装带来的困难，大大的提高了故障诊断便捷性同时降低了人力以及设备等成本。
附图说明
图1为本发明诊断方法数据处理程序框图；
图2为本发明测试系统框图。
图3为声导管系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1是发明近场航空发动机噪声源辨识数据处理程序框图。本发明对航空发动机中央锥齿轮进行故障诊断，具体方法包括：
步骤一、利用声导管系统引出齿轮箱内部噪声，在声导管开孔处布置声压传感器获取航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，同时需要采集齿轮旋转轴的转速信号；图2是测试系统框图。声导管系统如图3所示。
步骤二、对获取信号进行零均值化、错点剔除以及消除趋势项的预处理，为信号后续分析做好准备。
步骤三、对被测声压信号进行阶次分析，在阶次分析瀑布图上观测被测齿轮啮合频率附近是否有大量的边频带出现。
步骤四、若出现大量边频带，对被测信号进行希尔伯特变换，将变换后的包络信号做FFT，同时对被测信号做倒频谱。
步骤五、将包络信号的FFT谱和倒频谱融合分析，确定齿轮是否故障，以及发生的部位。
各步骤中：
信号获取：系统的采样率为200kHz,抗混叠带宽30kHz。声导管一端连接被测齿轮箱内部，一端与30米长空心封闭铜管相连，声压传感器布置在声导管中间开孔处。
阶次分析：通过旋转轴的转速信号得到时间域与角度域的对应关系，此时信号由时间域的函数转变为角度域的函数。对角度域的采集信号进行FFT变换，可以得到幅值随阶次变化的函数，从而信号可由角度域转换为阶次域。
希尔伯特变换：被测信号进行希尔伯特变换所使用的中心频率为齿轮的啮合频率，带宽设置为边频带的宽度。
融合分析：观察包络信号FFT谱线的频率成分，观察倒频谱中冲击处坐标横轴时间，并通过求倒数获得频率成分。两者的频率成分反应了故障发生的位置，若该频率成分与主动轮转频相关，可说明主动轮发生了故障，若该频率成分与从动轮转频相关，则说明从动轮发生了故障。频率成分的幅值反应了故障的程度。
该故障诊断方法通过声导管系统采集声学信号，然后通过对被测声压信号进行阶次分析观测被测齿轮啮合频率附近是否有大量的边频带出现，然后以啮合频率为中心频率进行希尔伯特变换，对信号进行解调分析，同时通过结合对测试信号的倒频谱进行融合分析，从而提取和分离了异常的周期性故障信号，可对被测齿轮的状态进行辨识，确定被测齿轮的故障程度以及发生部位。

Claims (6)

1.一种基于声学测试的航空发动机中央传动锥齿轮故障诊断方法，其特征在于，包括：
获取预处理后航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，同时需要采集齿轮旋转轴的转速信号；
将预处理的噪声信号作为被测声压信号，利用转速信号对其进行阶次分析，得到阶次分析瀑布图；
在阶次分析瀑布图上观测被测齿轮啮合频率附近是否有边频带出现；
若出现边频带，提取边频带的特征；
根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置；
根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置，包括：
对被测声压信号进行希尔伯特变换，将变换后的包络信号做FFT，同时对被测信号做倒频谱；希尔伯特变换：被测信号进行希尔伯特变换所使用的中心频率为齿轮的啮合频率，带宽设置为边频带的宽度；
将包络信号的FFT谱和倒频谱融合分析，确定齿轮是否故障，以及发生的部位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据边频带的特征，分析齿轮的故障以及发生位置，包括：
根据啮合频率和边频带的差频，确定齿轮故障发生的位置；
根据差频的幅值特点，确定齿轮发生哪种故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所获取预处理后航空发动机中央传动锥齿轮的噪声信号，包括：
利用声导管系统引出齿轮箱内部噪声，在声导管开孔处通过布置的声压传感器采集噪声信号；
对噪声信号进行零均值化、错点剔除以及消除趋势项的预处理，为信号后续分析做好准备。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，声导管系统的采样率为200kHz,抗混叠带宽为30kHz。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，声导管一端连接被测齿轮箱内部，一端与30米长空心封闭铜管相连，声压传感器布置在声导管中间开孔处。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将包络信号的FFT谱和倒频谱融合分析，确定齿轮是否故障，以及发生的部位，包括：
观察包络信号FFT谱线的频率成分，观察倒频谱中冲击处坐标横轴时间，并通过求倒数获得频率成分；其中，两者的频率成分反应了故障发生的位置；频率成分的幅值反应了故障的程度；
若该频率成分与主动轮转频相关，说明主动轮发生了故障，若该频率成分与从动轮转频相关，则说明从动轮发生了故障。
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