[发明专利]航空发动机中介轴承故障检测方法及检测装置

摘要

一种航空发动机中介轴承故障检测方法及检测装置。所述检测装置中的低压转子和高压转子安装在三个支撑架之间。在分别靠近电动机一端的低压转子的转子轴和高压转子的转子轴上均贴有反光纸贴。通过两个光电传感器采集转速脉冲信号，通过一个电涡流式位移传感器采集中介轴承的振动信号。通过确定故障特征倍频、采集转速脉冲信号和原始时域振动信号、获得中介轴承转差域的零相位位置、计算转速—时间函数、将原始时域信号转换为转角域振动信号，以及使用包络谱检测轴承故障，能够较好地解决变转速工况下轴承故障特征频率在频谱上漂移、尖峰度不好的问题。

主权项

一种航空发动机中介轴承故障检测方法，所使用的装置，包括两个反光纸、两个光电传感器、电涡流式位移传感器、低压转子、高压转子、试验台、数据采集系统、计算机、电动机和三个支撑架；两个电动机分别固定在试验台的上表面；低压转子和高压转子安装在三个支撑架之间；一个反光纸贴在低压转子的转子轴靠近电动机一端的圆周表面，另一个反光纸贴在高压转子的转子轴靠近另一台电动机一端的圆周表面；将一个光电传感器置于高压转子的转子轴旁，并使该光电传感器的探头对准粘贴在该高压转子的转子轴表面的反光纸；将另一个光电传感器置于低压转子的转子轴旁，并使该光电传感器的探头对准粘贴在该低压转子的转子轴表面的反光纸；一个电涡流式位移传感器置于鼓筒形轴承座旁，沿鼓筒形轴承座外表面的圆周表面法线方向对准鼓筒形轴承座外表面，用于采集中介轴承的振动信号；所述两个光电传感器和电涡流式位移传感器分别与数据采集系统通过数据线连接；所述数据采集系统与计算机通过USB数据线连接；其特征在于，具体过程是：步骤1，确定故障特征倍频：故障特征倍频是指轴承的故障特征频率与轴承的内环和轴承的外环之间的相对转动频率之比；通过公式(1)确定中介轴承外环局部故障特征倍频Fe通过公式(2)确定中介轴承滚动体局部故障特征倍频F0通过公式(3)确定中介轴承内环局部故障特征倍频Fi公式中：d是轴承滚动体的直径；α是接触角，指轴承的某个滚动体与轴承内环和外环接触平面和轴承径向平面之间的夹角；Dm是轴承的滚动体中心圆直径，角标m意为中间；z是轴承的滚动体个数；步骤2，采集转速脉冲信号和原始时域振动信号：所述转速脉冲信号与原始时域振动信号的采集在时间上是同时进行的；所述的采集转速脉冲信号包括采集中介轴承外环转速脉冲信号Te和中介轴承内环转速脉冲信号Ti；通过光电传感器与粘贴在转子转轴上的反光纸的配合，采集中介轴承所连接的高压转子的转速脉冲信号和低压转子的转速脉冲信号；在高压转子轴上采集的转速脉冲信号就是中介轴承外环的转速脉冲信号Te；同样，在低压转子轴上采集的转速脉冲信号就是中介轴承内环的转速脉冲信号Ti；通过将电涡流传感器对准鼓筒形轴承座，采集中介轴承的原始时域振动信号；步骤3，通过两路转速脉冲信号获得中介轴承转差域的零相位位置：具体是：首先，找到该中介轴承的内环转速脉冲信号Ti和中介轴承的外环转速脉冲信号Te的所有上升沿，获取到的上升沿位置就是该中介轴承的内环和外环各自相应的零相位点；所述上升沿即脉冲信号或方波信号从低电平跳跃至高电平的位置；内环转速脉冲信号Ti中两个相邻的零相位点代表内环从零相位点开始转动一周达到下一个转动周期的零相位点，转角为2π；同样，外环转速脉冲信号Te中两个相邻的零相位点也代表外环转动一周；确定该中介轴承内环的转动角度信号Tiθ和该中介轴承外环的转动角度信号Teθ；所述的Tiθ与Teθ的信号样本在时间上分别与两个转速脉冲信号Ti和Te一一对应且样本数相同；确定中介轴承转差域的转动角度信号Trθ；所述确定中介轴承转差域的转动角度信号Trθ的具体过程是：Trθ的信号样本与所述两个转动角度信号Tiθ和Teθ在时间上一一对应且样本数相同；若该中介轴承的内环和外环的转动方向相反，称为对转，中介轴承转差域的转动角度信号Trθ的每一个样本值为中介轴承内环的转动角度信号Tiθ与是中介轴承外环的转动角度信号Teθ相应的样本值之和，即Trθ(k)＝Tiθ(k)+Teθ(k)；若该中介轴承的内环和外环的转动方向相同，称为同转，中介轴承转差域的转动角度信号Trθ的每一个样本值为Tiθ与Teθ相应的样本值之差的绝对值，即Trθ(k)＝|Tiθ(k)‑Teθ(k)|；得到中介轴承在转差域的转动角度信号Trθ；Tr是中介轴承转差域的转速脉冲信号；确定中介轴承转差域的零相位位置；所述确定中介轴承转差域的零相位位置时，将中介轴承在转差域的转动角度信号Trθ从信号起始位开始将该转动角度信号的各值逐个叠加，当叠加的数值第一次超过2π时，表明中介轴承在转差域转动一周，超过2π的样本视为零相位点；同理，第一次超过4π时，转动两周；第一次超过6π时，转动三周，以此类推；将转差域每一周的初始零相位点记录下来，即获得中介轴承转差域的零相位位置；确定中介轴承转差域的转速脉冲信号Tr；所述确定中介轴承转差域的转速脉冲信号Tr时，新建一个与内环转速脉冲信号Ti和外环转速脉冲信号Te样本数相同，且各个样本在时间上一一对应的中介轴承转差域的转速脉冲信号Tr；将Tr中中介轴承转差域的零相位位置的样本值置为1，将其余位置全部置零，则得到中介轴承转差域的转速脉冲信号Tr；步骤4，通过转速脉冲信号计算转速—时间函数：通过公式(4)得出当前中介轴承在转差域的旋转频率FΩ及转速Ω；公式(4)中，Fc是数据采集系统的采样频率；Δn是两个相邻的中介轴承转差域零相位信号之间的采样点数；首先，将中介轴承转差域的转速脉冲信号Tr通过式(4)对每一旋转周期的转速Ω进行计算，并将速度值赋给当前周期转速脉冲信号的起始零相位位置，两个零相位之间的样本值仍保持为零，即得到中介轴承转差域转速与时间的离散函数；再将该离散函数进行一阶插值运算，即该离散函数中相邻两点用线段相连，即得到中介轴承转差域连续的转速—时间函数Ω(t)；τ是中介轴承在转差域某个旋转周期对应的时间长度；FΩ是中介轴承在转差域某个旋转周期对应的平均旋转频率；Ω(t)是中介轴承在转差域的转速—时间的函数；步骤5，将原始时域信号转换为转角域振动信号：由步骤4得出的Ω(t)，根据转动角度θ(t)为Ω(t)对时间t的积分，得θ(t)：Ω(t)为一阶插值的匀加速转速模型，即相邻两点相连，假设两点位置为tk和tk+1，相应的值为Uk和Uk+1，则相应的转角‑时间函数为：由于在每一转的开始设定为零相位，则公式7可化为：求取θ(t)的反函数t(θ)：若每个转动周期需要ns个样本，则各个需要的转角域样本公式(10)取得：Uθ(k*Δθ)＝Ut(t(k*Δθ))  (10)其中，Δθ=2π/ns]]>；公式中，以Uθ(θ)]]>表示转角域样本，以Ut(t)表示时域样本；对原始的时域离散振动信号进行二阶拉格朗日插值，找到t(k*Δθ)位置在插值函数上的值，以此值作为转角域相应样本的值；采用在时域信号确定连续的三个点tk、tk+1、tk+2，其值分别为Uk、Uk+1、Uk+2，即两个转动周期的时域样本，并对其进行二阶拉格朗日插值的方法获得连续的时域信号函数：由公式(11)获得t(k*Δθ)在振动信号中相应的值；假设原始时域中介轴承振动信号在转差域共有Nc个转差周期，重采样后每周期转角域振动信号有ns个样本点，则重采样后的转角域转速脉冲信号共有Nc*ns个样本点，按照上述方法，将所述Nc*ns个样本点的值全部求出，并所述Nc*ns个样本点的值依次赋给长度为Nc*ns的转差‑转角域振动信号Vr；即得到了重采样后的转差‑转角域振动信号；θ(t)是中介轴承在转差域的转动角度对时间的函数；t(θ)是θ(t)的反函数，即时间对中介轴承在转差域的转动角度的函数；Nc是某个信号内中介轴承在转差域的转动周期数；Vr是转换后转差‑转角域振动信号；步骤6，使用包络谱检测轴承故障：求出上一步得出的转差‑转角域振动信号Vr的包络信号，以消除振动信号中不重要的高阶分量，凸显较为重要的低阶的轴承特征故障分量，并对该包络信号求解功率谱，以此分析轴承故障情况。