CN114509273B - 基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电监测的转子‑静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，属于航空发动机状态监测及故障诊断领域。其搭建成本低廉，安全可控且易于操作，将静电传感器与压力监测、温度监测等监测技术相结合，进而基于信号处理的时频域分析方法分析故障起电机理并寻找不同故障类型的信号特征，有助于推进航空发动机静电监测技术的机载化应用进程。包括转子‑静子碰摩颗粒物发生装置、吞砂颗粒物注入装置、多源状态监测系统、气流管路以及风源。本发明利用高速旋转的砂轮和固定金属板之间的切削作用模拟转子‑静子碰摩，属于接触面碰摩方式，比传统的拧紧螺钉这类的点状碰摩形式更为接近和符合航空发动机气路中碰摩故障的真实情况。

Description

基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台

技术领域

本发明涉及一种基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，属于航空发动机状态监测及故障诊断领域。

背景技术

航空发动机和辅助动力装置等飞机动力装置的安全性至关重要，维护成本高。作为飞机的“心脏”，预测与健康管理（PHM）的实施对航空发动机的安全具有重要意义。

 一个有效的 PHM 系统有望提供早期检测和隔离组件或子元件的先兆和/或初期故障；具有监控和预测故障进展的手段；并帮助制定或自主触发维护计划和资产管理决策或行动。监测技术是PHM的基础，但传统的振动监测和温度监测对早期故障不敏感。与传统监测技术相比，静电监测可以直接监测航空发动机部件的故障产物，具有早期预警能力，已成为近年来的研究热点。 英国的Powrie 在演示发动机进行了一系列详细测试，并验证了静电传感器监测故障的可行性。由于静电监测的优势，其已被应用于F-35联合攻击战斗机。

然而，由于试验发动机在大多数情况下是在正常工况下运行，因此在实际航空发动机试验中很难遇到各种典型故障。因此，需要在实验室模拟典型故障，基于航空发动机静电传感器的静电信号进行感应特性分析。尽管刘鹏鹏等人搭建了基于静电监测的碰摩故障模拟实验台，但是其缺乏多源监测信息的辅助，导致其所搭建的实验台无法深入分析碰摩故障的起电机理。航空发动机在运行过程中，可能会遇到硬着陆等特殊的飞行情况，可能引起机壳变形或发动机的旋转轴朝机壳径向移动。这些所谓的尖端碰摩事件会导致叶片尖端和外壳之间的非常严重的相互作用，例如导致磨损。塑性变形、叶片尖端微观结构的变化、裂纹萌生以及摩擦区衬里材料的破裂。这会直接导致性能或可操作性下降。这种碰摩事件会产生大量的带电粒子。引入静电监测对碰摩故障进行监测有助于提高航空发动机的可靠性和安全性。不仅如此，航空发动机在沙漠地区工作时可能会吸入大量沙粒。摄入大量沙粒很可能导致碰摩事件和性能下降。因此，吞砂试验是航空发动机适航审定的必要环节。

在这些背景下，需要设计建立一个新的试验台来模拟转子-定子相互作用的碰摩故障和吞砂故障。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其搭建成本低廉，安全可控且易于操作，将静电传感器与压力监测、温度监测等监测技术相结合，进而基于信号处理的时频域分析方法分析故障起电机理并寻找不同故障类型的信号特征，有助于推进航空发动机静电监测技术的机载化应用进程。

本发明的技术方案为：所述模拟实验台包括转子-静子碰摩颗粒物发生装置、吞砂颗粒物注入装置、多源状态监测系统、气流管路以及风源；

所述转子-静子碰摩颗粒物发生装置通过碰摩作用产生大量带电颗粒物，所述气流管路的一端设在转子-静子碰摩颗粒物发生装置的一侧，并且另一端连接风源，通过风源在气流管路种产生负压，抽吸转子-静子碰摩颗粒物发生装置产生的带电颗粒物，所述吞砂颗粒物注入装置连接在气流管路上，通过吞砂颗粒物注入装置向气流管路中注入标准砂尘颗粒物，通过多源状态检测系统检测实验过程中带电颗粒物静电信号以及碰摩作用中实时变化的法向作用力、碰摩作用现场的温度。从而将静电传感器与压力监测、温度监测等监测技术相结合，进而基于信号处理的时频域分析方法分析故障起电机理并寻找不同故障类型的信号特征，有助于推进航空发动机静电监测技术的机载化应用进程。

所述转子-静子碰摩颗粒物发生装置包括转速可调的直流电机1、用于模拟转子的轮盘2以及用于模拟定子的金属板3，所述直流电机1固定连接在机架上，所述轮盘2与直流电机1的输出轴固定相连；从而通过可调转速的直流电机1带动砂轮盘2旋转，使得砂轮盘2被用作转子。

所述机架上还设有滑轨7，所述滑轨7可平移的设置在转盘2的下方，用于实现可平移的方式有很多，比如滑动连接或是在滑轨底部设置滚轮等等，所述滑轨上7上固定连接有定子固定支架6以及压力传感器固定座8，所述压力传感器固定座8上固定连接有压力传感器9，所述金属板3贯穿定子固定支架6，并且金属板3的底部固定连接在压力传感器9上。金属板3的顶部呈圆弧状，从而使得金属板3被用作定子，并且在实验过程种通过压力传感器9测量法向载荷。另外，由于金属板3、定子固定支架6、压力传感器9和压力传感器固定座8相对于滑轨7均是静止的，在砂轮盘2高速旋转的同时，借助人工或直线驱动机构左右移动滑轨7即可实现砂轮盘2与金属板3之间的相对切削运动，最终，在转子-静子碰摩作用下产生大量带电颗粒物。

所述轮盘2和金属板3之间的区域为带电颗粒物产生区域，所述风源为风速可调的吸尘器13，所述吸尘器13连接在气流管路的一端，所述气流管路的另一端处在带电颗粒物产生区域的一侧。从而通过吸尘器13在气流管路中产生负压，抽吸转子-静子碰摩颗粒物发生装置产生的带电颗粒物。

所述吞砂颗粒物注入装置包括固定安装在气流管路上的沙漏10，所述沙漏10竖直设置，并且底部与气流管路相连通。即沙漏10与气流管道成九十度直角垂直安装，从而使得标准砂尘颗粒物可在重力的作用下流入气流管道。

所述多源状态检测系统包括带电颗粒物静电监测系统、压力测量系统和温度测量系统；

带电颗粒物静电监测系统包括棒状静电传感器11、环状静电传感器12、电荷放大器15、高频数据采集卡16和计算机终端17；棒状静电传感器11通过棒状金属探极探测带电颗粒物静电信号，棒状静电传感器11插入气流管道内部；棒状金属探极插入管道内部深度可以自行调节，同时在同一横截面上既可以选择安装单个传感器，也可以选择安装多个传感器组成阵列式布局；环状静电传感器12通过两个插入气流管道内部的环状金属探极探测带电颗粒物静电信号，两个环状探极之间留有间距；棒状静电传感器11、环状静电传感器12同时经过电荷放大器15以及高频数据采集卡16接入计算机终端17；

压力测量系统包括压力传感器9，通过压力传感器9测量碰摩作用中实时变化的法向作用力；

温度测量系统包括固定设置在带电颗粒物产生区域一侧的热电偶传感器4，通过热电偶传感器4测量碰摩作用现场的温度变化；

所述压力传感器9和热电偶温度传感器4共用同一个低频信号调理和采集器14，并最终也接入计算机终端17。

实验时，可调风速吸尘器13可将转子-静子碰摩作用产生的带电颗粒物及吞砂颗粒物吸入气流管道，带电颗粒物在经过棒状静电传感器11和环状静电传感器12时可以被其探测。

所述棒状静电传感器11和环状静电传感器12，

所述棒状静电传感器11中的棒状金属探极所用的材料为耐高温材料，并且棒状静电传感器11和环状静电传感器12金属探极都通过陶瓷管与金属屏蔽外壳进行绝缘隔离。

本发明的有益效果在于：

一、本发明利用高速旋转的砂轮和固定金属板之间的切削作用模拟转子-静子碰摩，属于接触面碰摩方式，比传统的拧紧螺钉这类的点状碰摩形式更为接近和符合航空发动机气路中碰摩故障的真实情况。

二、本发明成本低，易于实现，可重复多次进行实验对比，解决了真实航空发动机故障模拟实验成本高、难实现的问题。可模拟碰摩颗粒物单独存在、吞砂颗粒物单独存在及两类颗粒物同时混合的多种情况，在静电、压力和温度等多源监测手段的数据基础上，不仅可以深入分析碰摩故障起电机理，也可以基于信号处理时频域方法深入分析两类故障静电信号的不同特征，为典型故障的识别的诊断打下基础。

三、本发明是专为实现基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟研究设计的，能够便于安装各种型号的静电传感器，且可以选择在同一横截面安装多个静电传感器，组成平面阵列式布局，进一步研究气流管道中的气固两相流问题和多带电颗粒物带电量、质心分布、颗粒数量估计等信息的反演。前后相隔一定距离的两个探极可用于分析颗粒物速度分布。

四、本发明在监测系统上采用高频和低频两路组合的采集模式。静电监测系统的采样频率可根据气流管道风速和砂轮转速等不同工况进行调节，其采样频率相对来说较高，且测量电路中包含电荷放大器，因此采用带宽较高的采集卡测量。而压力和温度传感器采样频率极低，两者共用同一低频信号调理和数据采集组件。这样的监测模式有益于监测数据更好地采集。

附图说明

图1为本案的结构示意图，

图2为转子-静子碰摩作用现场带电颗粒物静电监测信号和压力传感器所测的法向载荷的对比图案例。

图3为转子-静子碰摩作用现场带电颗粒物静电监测信号和温度传感器所测的温度信号的对比图案例。

图4为将砂轮转速调节为30赫兹，基于采集到的碰摩带电颗粒物的静电信号，进行快速傅里叶变换得到的频谱图案例。

图5为基于采集到的吞砂带电颗粒物的静电信号，进行快速傅里叶变换得到的频谱图案例。

图中1是直流电机，2是砂轮盘，3是金属板，4是热电偶传感器，5是传感器支架，6是定子固定支架，7是滑轨，8是压力传感器固定座，9是压力传感器，10是沙漏，11是棒状静电传感器，12是环状静电传感器，13是吸尘器，14是采集器，15是电荷放大器，16是高频数据采集卡，17是计算机终端。

实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

如图1所示，本发明公开的一种基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，包括转子-静子碰摩颗粒物发生装置、吞砂颗粒物注入装置、多源状态监测系统、气流管路和风源。转子-静子碰摩颗粒物发生装置中，可调转速直流电机带动砂轮盘旋转，砂轮盘被用作转子，金属板被定子固定支架固定，金属板被用作定子，金属板下方安装压力传感器用于测量法向载荷，压力传感器被压力传感器固定座相对固定在滑轨上。金属板、定子固定支架、压力传感器和压力传感器固定座相对于滑轨均是静止的。在砂轮盘高速旋转的同时，左右移动滑轨即可实现砂轮盘与金属板之间的相对切削运动，在转子-静子碰摩作用下产生大量带电颗粒物。吞砂颗粒物注入装置中，沙漏与气流管道成九十度直角垂直安装，标准砂尘颗粒物在重力的作用下流入气流管道。

多源状态监测系统具体包括带电颗粒物静电监测系统、压力测量系统和温度测量系统。其中带电颗粒物静电监测系统由棒状静电传感器、环状静电传感器、电荷放大器、高频数据采集卡和计算机终端组成。棒状静电传感器通过棒状金属探极探测带电颗粒物静电信号，棒状静电传感器插入气流管道内部，棒状金属探极插入管道内部深度可以自行调节，同时在同一横截面上既可以选择安装单个传感器，也可以选择安装多个传感器组成阵列式布局。环状静电传感器通过两个环状金属探极探测带电颗粒物静电信号，两个环状探极间隔一定距离放置。压力测量系统提供压力传感器测量碰摩作用中实时变化的法向作用力，温度测量系统通过热电偶传感器测量碰摩作用现场的温度变化。压力传感器和热电偶温度传感器共用同一个低频信号调理和采集器，最终接入计算机终端。

风源为可调风速吸尘器，可将转子-静子碰摩作用产生的带电颗粒物及吞砂颗粒物吸入气流管道，带电颗粒物在经过棒状静电传感器和环状静电传感器时可以被其探测。

图2是进行转子-静子碰摩故障模拟实验时，静电监测信号和法向载荷压力信号的对比图，图中显示在碰摩切削作用的过程中，碰摩产生的带电颗粒物的带电量和法向载荷作用力成正比，法向载荷作用力与切削深度密切相关，切削深度越大则颗粒物尺寸越大。同时，图3是进行转子-静子碰摩故障模拟实验中，静电监测信号和现场温度信号的对比图，温度信号和颗粒物静电信号成正比。本实施例可以说明本发明可以用于深入分析碰摩作用中颗粒物尺寸、携带热量与颗粒物带电量之间的关系，可进一步用于分析碰摩故障的起电机理。

在进行转子-静子碰摩作用的过程中，砂轮盘的转速可以通过调节直流电机的转速来调节。当调节砂轮的旋转频率为30赫兹时，基于采集到的静电信号进行快速傅里叶变换，得到的频谱如图4所示，除了气流管道内颗粒物速度分布信息，30赫兹的旋转频率也清晰可见。而标准砂尘颗粒物是通过沙漏自由落入的方式入住气流管道进而被气源吸入气流管道的，不存在旋转成分，对砂尘颗粒物的静电采集信号进行快速傅里叶变换，频谱图如图5所示，在其频谱图中，只有砂尘颗粒物在气流管道中的速度分布信息，而没有旋转频率信息。本实施例可以说明，基于本发明可以在采集到的静电信号基础上，利用信号处理方法实现碰摩颗粒物和砂尘颗粒物的信号特征提取，为基于静电信号的两类典型故障识别和故障诊断打下基础。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其特征在于，所述模拟实验台包括转子-静子碰摩颗粒物发生装置、吞砂颗粒物注入装置、多源状态监测系统、气流管路以及风源；

所述转子-静子碰摩颗粒物发生装置通过碰摩作用产生大量带电颗粒物，所述气流管路的一端设在转子-静子碰摩颗粒物发生装置的一侧，并且另一端连接风源，通过风源在气流管路种产生负压，抽吸转子-静子碰摩颗粒物发生装置产生的带电颗粒物，所述吞砂颗粒物注入装置连接在气流管路上，通过吞砂颗粒物注入装置向气流管路中注入标准砂尘颗粒物，通过多源状态检测系统检测实验过程中带电颗粒物静电信号以及碰摩作用中实时变化的法向作用力、碰摩作用现场的温度；

所述多源状态检测系统包括带电颗粒物静电监测系统、压力测量系统和温度测量系统；

带电颗粒物静电监测系统包括棒状静电传感器（11）、环状静电传感器（12）、电荷放大器（15）、高频数据采集卡（16）和计算机终端（17）；棒状静电传感器（11）通过棒状金属探极探测带电颗粒物静电信号，棒状静电传感器（11）插入气流管道内部；环状静电传感器（12）通过两个插入气流管道内部的环状金属探极探测带电颗粒物静电信号，两个环状探极之间留有间距；棒状静电传感器（11）、环状静电传感器（12）同时经过电荷放大器（15）以及高频数据采集卡（16）接入计算机终端（17）；

压力测量系统包括压力传感器（9），通过压力传感器（9）测量碰摩作用中实时变化的法向作用力；

温度测量系统包括固定设置在带电颗粒物产生区域一侧的热电偶传感器（4），通过热电偶传感器（4）测量碰摩作用现场的温度变化；

所述压力传感器（9）和热电偶温度传感器（4）共用同一个低频信号调理和采集器（14），并最终也接入计算机终端（17）。

2.根据权利要求1所述的基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其特征在于，所述转子-静子碰摩颗粒物发生装置包括转速可调的直流电机（1）、用于模拟转子的轮盘（2）以及用于模拟定子的金属板（3），所述直流电机（1）固定连接在机架上，所述轮盘（2）与直流电机（1）的输出轴固定相连；

所述机架上还设有滑轨（7），所述滑轨（7）可平移的设置在转盘（2）的下方，所述滑轨（7）上固定连接有定子固定支架（6）以及压力传感器固定座（8），所述压力传感器固定座（8）上固定连接有压力传感器（9），所述金属板（3）贯穿定子固定支架（6），并且金属板（3）的底部固定连接在压力传感器（9）上。

3.根据权利要求2所述的基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其特征在于，所述轮盘（2）和金属板（3）之间的区域为带电颗粒物产生区域，所述风源为风速可调的吸尘器（13），所述吸尘器（13）连接在气流管路的一端，所述气流管路的另一端处在带电颗粒物产生区域的一侧。

4.根据权利要求1所述的基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其特征在于，所述吞砂颗粒物注入装置包括固定安装在气流管路上的沙漏（10），所述沙漏（10）竖直设置，并且底部与气流管路相连通。

5.根据权利要求1所述的基于静电监测的转子-静子碰摩及吞砂故障模拟实验台，其特征在于，所述棒状静电传感器（11）和环状静电传感器（12），

所述棒状静电传感器（11）中的棒状金属探极所用的材料为耐高温材料，并且棒状静电传感器（11）和环状静电传感器（12）金属探极都通过陶瓷管与金属屏蔽外壳进行绝缘隔离。

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