发动机整机振动故障诊断的硬软件系统与集成

论文摘要

现代航空发动机的整机振动对适航性和结构完整性影响巨大,以转子系统振动超标为主要特征的整机振动故障会导致多个重要零部件产生振动损伤,严重影响发动机的可靠性,甚至导致机毁人亡的重大事故。近年来,航空发动机在新机研制、服役期维护和大修的不同阶段,对整机振动的要求越来越严格。航空发动机的整机振动故障往往是以异常振动的形式表现出来。基于振动的故障诊断技术是解决航空发动机整机振动故障问题的重要途径。结合航空发动机的转子-支承系统的具体结构与运行特点,研究其整机振动故障诊断方法,对于快速有效地判断故障的发生、对故障类型进行正确识别、对故障发生原因进行溯源、进行必要的故障复现,进而对故障排除提出建议有着重要的意义。本文以航空发动机转子系统模型试验台和故障模拟试验器为物理对象,针对经常发生的几类主要的航空发动机整机振动故障进行分析,研究了其振动信号的硬件测试系统构成、振动信号的分析方法、故障特征的提取方法。借鉴指导教师提出的基于模型的定量诊断理论,创新性地研究了航空发动机整机振动定量诊断技术,即在系统动态特性分析与仿真的基础上进行整机振动故障的类型、位置和严重程度的定量诊断,形成了航空发动机整机振动故障诊断系统。航空发动机整机振动故障诊断系统主要包括振动监测的硬件系统、基于MATLAB平台的分析和诊断算法软件包。其中监测硬件系统主要包括针对模型级、部件级和整车试验器的具体情况选择适用的传感器、配置合理的采集系统和数据处理系统。算法软件包主要包括：（1）固有特性分析软件包：用于计算航空发动机转子系统的固有特性（考虑不同支承条件下的临界转速和振型）；（2）振动信号分析软件包：对发动机振动测试及仿真数据,进行时域分析、FFT、HHT、小波变换等处理；（3）定量诊断分析软件包：基于整机振动故障的定性诊断和故障动态仿真,进行不同故障的定量识别（如碰摩位置确定、不平衡质量识别、碰摩力和碰摩位置关系）。本文旨在通过对航空发动机整机振动故障诊断系统的研究,形成一套较全面的航空发动机整机振动故障诊断的软硬件系统框架,并完成若干关键内容。将所取得的研究成果在国内航空发动机设计和制造单位中加以应用,满足现实需求,对于提高发动机研制和维修效率,具有直接的经济效益和社会意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 振动故障诊断相关技术现状
• 1.2.2 航空发动机的故障诊断技术
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 整机振动故障诊断系统的总体方案
• 2.1 发动机整机振动故障主要类型及其机理与特征
• 2.1.1 转子不平衡不对中故障
• 2.1.2 转-静件碰摩故障
• 2.1.3 热弯曲故障
• 2.1.4 转子裂纹故障
• 2.1.5 转子腔体积油故障
• 2.2 发动机整机振动故障诊断系统总体设计方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 整机振动故障的测试硬件系统
• 3.1 发动机试车台的振动测试方案
• 3.2 发动机模型试验器的振动测振系统
• 3.2.1 测试设备
• 3.2.2 几种航空发动机转子系统模型试验器
• 3.3 振动测试的实验步骤
• 3.4 本章小结
• 第4章 整机振动故障诊断的主要算法和软件
• 4.1 软件构成
• 4.2 转子系统临界转速计算算法
• 4.2.1 基本理论与方法
• 4.2.2 试验分析
• 4.3 振动信号的分析与处理算法
• 4.3.1 转子系统振动故障的时域分析算法
• 4.3.2 转子系统振动故障的频域分析算法
• 4.3.3 转子系统振动故障的小波包分解算法
• 4.3.4 转子系统振动故障的HHT分析算法
• 4.4 转子系统振动故障的定量诊断算法
• 4.4.1 基于模态扩展与谐波分解的转子系统碰摩故障的定量诊断
• 4.4.2 基于非线性输出频率响应函数的转子系统碰摩故障的定量诊断
• 4.5 本章小结
• 第5章 发动机整机振动故障诊断系统的集成
• 5.1 GUI简介
• 5.2 发动机整机振动故障诊断系统集成实现
• 5.2.1 诊断系统的界面简介
• 5.2.2 诊断系统的功能简介
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢