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基于机匣应变的航空发动机碰摩故障识别房剑锋【摘要】针对双转子航空发动机采用柔性机匣设计理念,提出了在进气机匣或中介机匣承力支板加装应变桥路,从机匣动应变中提取特征频率来识别发动机转静碰摩故障的一种方法.建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,分析得出了双转子发动机转静碰摩特征频率,利用该特征频率准确识别出了某型发动机飞行试验中多次转静碰摩故障.理论分析和飞行试验表明:机匣应变能够灵敏的拾取转静碰摩振动信号;双转子发动机发生转静碰摩时,振动频谱中会出现mΩH±nΩL高低压转频组合频率成分,可依据该组合频率来判断碰摩故障是否发生;振动频谱中出现mΩH±ΩL组合频率成分并不能定位高压转子发生碰摩,同理,振动频谱中出现ΩH±nΩL组合频率成分也不能定位低压转子发生碰摩.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(020)003【总页数】7页(P22-28)【关键词】双转子发动机;转静碰摩;故障识别;机匣应变;组合频率【作者】房剑锋【作者单位】中国飞行试验研究院发动机所,西安,710089【正文语种】中文【中图分类】V232.96目前第三、第四代航空发动机不断追求高推重比、快速状态切换、低油耗等性能指标，涡轮前温度越来越高、转静子间隙越来越小，必然导致转子与机匣经常发生碰摩[1-2]。
目前转静碰摩已经成为多型航空发动机的典型故障之一，转子和机匣发生碰摩将带来严重的后果，如果不能及时发现与排除，可能导致发动机转子和静子严重损坏，甚至造成严重的飞行事故。
因此，准确识别出飞行中发动机碰摩故障，对于保障飞行安全、提高发动机战备完整性具有重要的军事意义[3-5]。
近些年来，国内外学者关于航空发动机转静碰摩故障识别的研究较多，在转子碰摩动力学数值及有限元建模仿真[1-2,5-9]、模拟碰摩故障实验研究[10-13]、碰摩故障分析识别方法[4,9,13]等方面进行了大量深入研究，得出了各种发动机转静碰摩故障识别方法和结论，对于发动机故障诊断、提高发动机结构可靠性设计具有重要的应用价值和指导意义。
汽轮机组现场动静碰磨故障的振动特征及分析诊断方法摘要：汽轮发电机组动静部件碰磨是当前大型机组现场常见重要故障。
碰撞的原因涉及到多方面:设计通流间隙过小、膨胀系统不合理;制造加工超差、大件原材料热处理不适当;现场安装轴系标高、扬度、对轮对中、高差、张口不合格或设计部分提供的要求不正确;运行参数控制不当;检修缺陷等。
碰磨故障内在机制复杂,振动特征较之其它故障呈现多样性和不确定性,随碰磨的类型、程度和阶段差异很大;还往往受到外部环境影响,如测点类别、测量分析仪器采样率、分辨率等。
基于此，本文主要对汽轮机组现场动静碰磨故障的振动特征及诊断方法进行分析探讨。
关键词：汽轮机组；现场动静；碰磨故障；振动特征；诊断方法1、前言汽轮发电机组动静部件之间碰摩是日常运行中常见故障，转子碰摩会产生复杂的振动情况，而对转子碰摩的研究大多基于理论和实验室数据，由于现场振动特征具有多样化，振动起因多元化，因此实际机组的碰摩情况远比模拟实验复杂的多。
转子碰摩故障若不及时发现并处理可能会造成严重后果，例如转轴的永久弯曲，更严重的可能会造成整个轴系毁坏，因此对碰摩故障进行准确判断分析，及时正确处理转子碰摩故障，可有效提高机组的运行安全性。
2、机组动静碰摩原因及振动特性2.1机组动静碰摩原因汽轮机动静碰摩通常发生在隔板汽封、叶片围带汽封以及轴端汽封，同时也有可能发生在轴承油挡、挡汽片部位，以下列出了动静碰摩的常见原因。
a.机组径向碰摩的常见原因一般分为以下几种情况：动静间隙太小；转动轴承振动过大；转子与轴承对中不好；缸体或轴承座的跑偏、弯曲或变形。
b.机组轴向碰摩的常见原因一般分为以下几种情况：推力轴承损坏以及轴向力不平衡；隔板材料问题；轴向位移及胀差控制效果差。
2.2机组动静碰摩机理及振动特征通常情况下，机组动静部位的碰摩为局部碰摩，这样由于转子高速旋转会使摩擦部位产生高温，这时转轴表面受热不均发生转子热弯曲变形，从而引起新的质量不平衡。
基于小波多分辨分析的试飞中发动机转静子碰摩故障检测及诊断符娆;陈钊;左思佳【摘要】In allusion to the rotor-stator rubbing signal of aeroengine in flight test, firstly the original signal was denoised by wavelet threshold method, and the result shows that the saltation information of fault characteristics was remained while the high-frequency noise was filtered out effectively;then the denosied signal was processed by wavelet multi-resolution analysis. The result by time-frequency analysis shows that it has the capability to enhance the efficiency and precision rate of trouble-shooting.So the method that was mentioned in this paper provides an effective approach to real-time fault monitoring with the actual flight loads for the future.%针对试飞中发动机振动异常现象，采集发动机关键部位机匣振动信号，首先应用小波阈值方法对原始振动信号进行降噪处理，有效的滤除了高频噪声干扰，同时很好保留了故障特征信息；然后，对降噪后信号进行小波多分辨分析，得到信息无冗余、不遗漏、相互独立的各个子频带，这就使得故障信息浓缩化，位于某个频带的分解信号就只提供该频带中的机械动态信息，缩小了查找故障的范围，提高了故障检测及诊断的准确性、及时性，为今后真实飞行载荷下的实时故障监测提供一种有效途径。
转子／机匣碰摩引起的转子弯扭耦合振动廖明夫;宋明波;张霞妹【摘要】以航空发动机为研究背景，针对其转子／机匣间隙小，转速控制存在延迟，碰摩故障发生可能导致的发动机转子弯扭耦合振动的特征，建立了计及陀螺力矩的弹性支承‐柔性转子‐弹性静子系统的碰摩故障模型，模型中考虑了有延迟的转速控制力矩。
采用延迟微分方程的数值积分方法对方程进行了数值分析。
分析结果表明：碰摩作用发生时，剧烈的碰摩会导致转子的反进动，而碰摩与转速控制力矩的延迟共同作用会导致转子的扭转振动加剧，甚至可能发生扭振失稳。
应当在发动机控制系统的设计中充分考虑这种转子动力学影响。
同时，发动机扭振信号也可以作为转子／机匣发生碰摩的重要诊断信息之一。
【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2016(036)005【总页数】9页(P1009-1017)【关键词】航空发动机;转子;转静碰摩;弯扭耦合振动;失稳【作者】廖明夫;宋明波;张霞妹【作者单位】西北工业大学动力与能源学院西安，710072;西北工业大学动力与能源学院西安，710072;西北工业大学动力与能源学院西安，710072【正文语种】中文【中图分类】TH113.1引言转子/机匣碰摩是航空发动机运行过程中常见的现象，在某些情况下会造成发动机的进一步故障。
因此，转/静子碰摩成为发动机振动研究的焦点之一，备受关注[1]。
近年来，国内外学者分别在动力学建模[2-4]、摩擦模型[5]仿真[6-7]以及实验[8-11]等方面进行了深入探索，但往往忽略了碰摩摩擦力引起的转子扭振以及转速控制力矩[12、13]。
邓小文[14-16]以一种异步电机为对象，研究了转、静子的弯曲-扭转耦合振动，该研究针对电机驱动的地面旋转机械，其转速控制响应快，反馈转矩可迅速控制转子的转速。
航空发动机通过高压气流与燃油混合燃烧后产生高温燃气作为驱动，转速控制系统的响应要慢得多，而工作转速又非常高，因此，航空发动机的碰摩将可能造成转速波动，引起转子弯扭耦合振动。
转子系统动静件碰摩故障的影响因素研究佚名【摘要】This paper established mechanical model of rotor system’s rub-impact fault with two degrees of free⁃dom firstly, and conducted the simulation analysis with Runge-Kutta numerical method. The paper researched on time history, amplitude spectrum and orbit based on speed changes, got the vibration characteristics of speed and friction coefficient of common occurrence change, and provided theoretical basis for the effective diagnosis of rotor system’s rubbing degree.%首先建立两自由度的转子系统碰摩的力学模型，而后采用Runge-Kutta数值方法进行仿真分析，主要研究转速变化时的时间历程、幅值谱和轴心轨迹。
同时提取了转速和摩擦系数都发生变化时的振动特征，为有效诊断转子系统转静件碰摩程度提供了理论依据。
【期刊名称】《常熟理工学院学报》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】5页(P46-50)【关键词】旋转机械;转速;碰摩;龙格库塔【正文语种】中文【中图分类】TK268碰摩是指旋转机械在转动过程中由于间隙不足造成的旋转件和静止件之间连续或间歇的接触行为[1].大型旋转机械，如汽轮发电机组动静件间碰摩故障时有发生，主要发生在机组动静叶片密封、转子轴封及滑动轴承等各个部位，为提高机组运行效率，常在动静件密封处调整间隙至较小，这就增加了动静件碰摩的可能性.研究表明，碰摩故障不同于转子不平衡、不对称等现象，它发生的时间短且位置不确定，因而难以检测和捕捉[2].国内外许多学者对动静碰摩做了大量的研究工作.文献[3]讨论了转子碰摩的稳定性；文献[4]利用傅氏级数分解说明了碰摩发生时不同谐波振动成分的来源；Bently和Ehrich[5]根据实验阐明了由于转子碰摩而产生的非线性运动；文献[6]利用数值积分方法对转子碰摩严重时的振动特征进行了初步分析；文献[7]对旋转机械动静碰摩的机理作了研究；文献[8]通过对转子局部碰摩故障的规律分析，介绍了碰摩故障的模糊诊断、灰色关联诊断及神经网络模型诊断的方法，并提出了一种新的转子碰摩故障模拟试验系统.研究表明转子动静碰摩故障属于典型的非线性振动故障.在实际工程中对于非线性振动问题的研究，一般有实验研究和理论研究，理论研究通常有数值方法、解析方法和几何方法等.本文首先建立二自由度的转子系统碰摩的力学模型，而后采用经典的Runge-Kutta数值解法对所建立的模型进行求解.建立如图1所示的二个自由度的转子系统碰摩力学模型，该模型不计转轴质量，支承处弹性系数为Ks，阻尼系数为Ds.转子转动角速度为Ω，转子与定子的间隙为C，转静件偏心距用r0表示，转子质量为M，转子半径为ρ，转盘质量中心β与其几何中心O间距用rβ来表示，x、y为转子几何中心在任一时刻相对于定子几何中心在x、y方向的位移，转子系统绕z轴转动.碰摩发生时，亦即当x2+y2＞C时，将上面的力学模型用微分方程来表示，有对上两式进行无量纲化可得上两式中：ζ—阻尼系数；Ω—转子转速；ωs—系统自振频率，其值为ω—旋转角速度，其值为μ—摩擦系数；δ—变形，其值为α—变形指数；Kβ—静子刚度.对式（3）、（4）的非线性二阶微分方程进行降阶处理，将其转化为四个一阶的非线性微分方程组，然后在基于MATLAB平台下采用Runge-Kutta法对其进行数值积分.各初始参数设置如下：在其条件一定的情况下，通过改变参数转子转速Ω可以得到如图2的仿真结果.图2为无碰摩时的系统响应，其时域波形为正弦波，频谱图只有一个主要频率成份.轴心轨迹类似于椭圆.随着转速的改变，振动也随之增加.出现了不同程度的碰摩故障.本文采集了三种不同转速下的系统响应（图3～图5）.由图3～图5可知，当有碰摩发生时，其时域波形不再是有规则的正弦波.频谱图也出现了多个不同频率的振幅，带有多个频率成份.其轴心轨迹也明显不同.图6～图8是在摩擦系数和转速同时改变时的特征图.在转速一定时，质量偏心距影响着振动的幅值：幅值越大，越容易发生碰摩；也影响着碰摩的程度.摩擦系数μ的大小关系到碰摩时碰摩切向力的大小，在摩擦系数较小时，由不平衡力引起的规则正进动在转子进动中起决定作用，在摩擦系数较大时，反向碰摩切向力可能使转子系统发生反向涡动，从而影响系统的稳定性.大量计算表明，随着摩擦系数μ的增加，保证转子稳定进动的Ωωn的范围减小.转子与定子的间隙对是否发生碰摩和碰摩的程度都有至关重要的影响.图9和图10是在不同转速下x、y方向振动信号傅氏变换组成的瀑布图.从瀑布图中可以看出，当碰摩发生时，开始出现高频分量，其中各倍频分量的附近还有一频率分量，这一系列分量无疑是由碰摩引起的，这里简称碰摩分量.随着转速的增加，碰摩分量在系统响应中所占的比例不断增加，而基频在系统响应中所占的比例相对减小，碰摩分量和基频分量之间频率间隔越来越小.当转速增加到某临界值时，两分量重合在一起，即引起转子系统的失稳.改变系统参数，使μ=0.165，C=8×10-5m，Ds=1200 Nsm-1，转动角速度ω=250 rad/s，其他参数保持不变.得到图11所示的混沌运动.1）从振动信号时域波形特征的角度来分析：当转速较小时，没有发生碰摩故障，振动的时域波形为正弦波.当转子发生碰摩故障时，振动的时域波形发生畸变.2）从轴心轨迹的特征来分析：在转速较小时，转子系统在正常运转和轻度碰摩的情况下工作，轴心轨迹为一规则的圆或椭圆，见图2.但随着转速的增大，碰摩程度加深，轴心轨迹呈现花瓣形，见图3、4.随着转速的增加，会使轴心轨迹的拓扑结构发生变化，即转子系统发生失稳现象，轴心轨迹为多圆环缠绕，见图5.3）频谱特征及分析：转子在正常运转情况下，其振动能量主要集中在与转速同频率的一次谐波（基波）上，其他频率的能量均很小.当转速较小时，系统振动也较小，因而系统未发生碰摩（转速小于0.8398ωs时，如图2所示）.由图6和图8知，在摩擦系数和转速由小到大变化时，反向碰摩切向力可能使转子系统发生反向涡动，从而影响系统的稳定性.由瀑布图图9和图10可知，当碰摩发生时，开始出现高频分量，其中各倍频分量的附近还有一频率分量，这一系列分量无疑是由碰摩引起的.随着转速的增加，碰摩分量在系统响应中所占的比例不断增加，而基频在系统响应中所占的比例相对减小，碰摩分量和基频分量之间频率间隔越来越小.当转速增加到某临界值时，两分量重合在一起，即引起转子系统的失稳.4）振动性态分析：随着转速的增加，系统碰摩的程度在加深.分频、同频、倍频及其他一些频率成份的存在，是由于系统在转子转动频率和碰摩作用频率两者共同作用下的结果.假定转子转动频率为ω1，碰摩作用频率为ω2，则系统响应就有ω1±ω2、ω1±2ω2等频率成份出现.若这些信号成份的合成作用可以互相抵消，则整个系统响应表现为周期振动；若不可以互相抵消，则系统表现为拟周期振动.转子的运动一般要经历周期运动→拟周期运动→周期运动（摩擦系数μ较大时，在一定条件下还可发生失稳），一定参数下还可能出现混沌运动（见图11）.5）各参数对系统响应的影响分析：模型对参数具有敏感依赖性，由图4和图5知，但转速从1.2926ωs增加到1.2945ωs时，转子系统从稳定状态跳跃到不稳定状态.可见转子转速对碰摩影响很大，此外，摩擦系数、质量偏心距和转子与定子的间隙等等对碰摩转子系统的动力学特性都具有显著的影响.理论研究和实验研究已经表明，不同类型的碰摩故障和处于不同发展阶段的碰摩具有不同的故障特征，它们可以作为故障诊断的依据.然而这些仿真分析和研究结果与实际情况还有距离，因为相同的故障特征有可能对应着多种类型的故障，如质量不平衡、联轴节不对称、转子横向裂纹等，这些故障都会产生和碰摩故障类似的频谱特征.其次，在对碰摩故障的监测诊断中，目前通常采用基于平稳过程的经典信号处理方法，根据碰摩的振动信号得到振幅、相位等特征频谱，传统的快速傅里叶变换（FFT）是长期使用的有效工具.但是，傅里叶变换需要假定信号在整个时间轴上是平稳的，也就是说它是从全局角度看信号的构成.当信号内含有局部信息时，使用傅里叶分析在一定程度上就失去意义，它不能反映出信号在时间局部区域上的频率特征，而这些局部化特征恰是故障的表现.碰摩过程中的摩擦和碰撞都具有高瞬态性，具有非线性特征，转子发生碰摩时的振动信号是含有丰富的高频、低频谐波分量的瞬态信号，所以，傅里叶分析对于碰摩故障的监测诊断不适用.显然，对于非平稳非正弦的碰摩故障动态信号，必须寻找能够反映时域特征又能够反映频域信息的新方法，才能提供故障特征全貌，正确有效地进行故障诊断.【相关文献】[1]Sun Zhengce,Xu Jianxue,Zhou Tong.Analysis on Complicated Characteristics of a High-Speed Rotor System with Rub-Impact[J]. Mechanism and Machine Theory,2002,37(7):659-672.[2]胡茑庆、张雨、刘耀宗，等.转子系统动静件尖锐碰摩时的振动特征试验研究[J].中国机械工程，2002，13（9）：23-26.[3]Ehrich F F.Non-Linear Phenomena in Dynamic Response of Rotor in Anisotropic Mounting System.ASME[J].Journal of Mechanical Design,2012,117B:154-161.[4]Choy F K,Padovan J.Non-Linear Transient Analysis of Rotor-Casing Rub Events[J].J Sound&Vibration,2007,113(3):529-545.[5]Kim Y B,Noah S T.Bifurcation Analysis for a Modified Jeffcott Rotor with Bearing Clearances[J].Nonlinear Dynamics,1990,1(3): 221-243.[6]岳国金，晏砺堂，李其汉，等.转子碰摩的振动特征分析[J].航空学报，2010，11（10）：499-502.[7]戈志华，高金吉，王文永.旋转机械动静碰摩机理研究[J].振动工程学报，2003，16（4）：426-429.[8]臧朝平，张思，许尚贤.转子局部碰摩故障的诊断方法[J].中国电机工程学报，2004，14（4）：50-56.。
基于EMD和HHT的航空发动机转子-机匣振动信号分析徐可君;秦海勤;江龙平【摘要】Here, EMD and HHT were applied to rotor-case vibration signal analysis of an dero engine. The vibration signals from an aero engine when it was in bench tests were analyzed. The results showed that the two methods can clearly reproduce the rubbing fault process between rotor and stator with change of rotating speed and sampling period. They could obtain the rubbing information in time and frequency domains to overcome the shortcoming of Fourier transormation only displaying the information in frequency domain. It also was shown that the marginal spectrum can display the distribution of a system's frequency and amplitude more really.%将EMD和HHT方法引入航空发动机转子-机匣的振动信号分析,某台发动机的台架实测机匣振动信号的分析结果表明,该方法能够比较清楚地再现转静系统碰摩故障随转速和采样周期的演变过程,能够克服傅里叶谱无法同时获得时域和频域信息的缺陷.同时边际谱与傅里叶谱相比能够比较真实客观地反映系统的频率和幅值分布情况.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2011(030)007【总页数】4页(P237-240)【关键词】航空发动机;经验模态分析;希尔伯特-黄变换【作者】徐可君;秦海勤;江龙平【作者单位】海军航空工程学院青岛分院航空机械系,青岛266041;海军航空工程学院青岛分院航空机械系,青岛266041;海军航空工程学院青岛分院航空机械系,青岛266041【正文语种】中文【中图分类】V23;TH165.3由于结构形式和现实安装条件的限制，航空发动机的振动信号通过机匣拾取。
航空发动机叶片-机匣碰摩故障的机匣振动加速度特征分析及验证陈果;冯国权;姜广义;李成刚;王德友【摘要】为了提取叶片机匣碰摩状态下的机匣振动加速度特征,利用航空发动机转子系统模型的试验器,进行了转子叶片-机匣的单点碰摩和偏摩试验,通过频谱分析和倒频谱分析方法,分析了机匣振动加速度信号的碰摩特征,结果表明:机匣振动加速度具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为旋转频率与叶片数的积,在频谱上出现了该冲击频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,在频率上表现出冲击频率及其倍频两侧出现了以旋转频率为间隔的边频带族.从倒频谱图中可以明显看出转频及其倍频的倒频率成分,并用实际航空发动机试车数据验证了分析结果.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2014(040)001【总页数】8页(P10-16,78)【关键词】碰摩;叶片-机匣;加速度信号;航空发动机;振动【作者】陈果;冯国权;姜广义;李成刚;王德友【作者单位】南京航空航天大学民航学院,南京210016;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】TB132为了继续提高航空发动机推重比和结构效率，发动机转、静件间隙被不断缩小，这就加剧了转静间的碰摩可能性，其中叶片-机匣间的碰摩尤其突出。
转、静碰摩故障的严重后果将使转、静子的间隙增大、轴承磨损、叶片折断直至机械失效[1-4]。
国内外学者对碰摩故障的动力学机理和碰摩试验进行了深入研究[4-16]，认识了由碰摩故障导致的波形截头、倍频、分频以及混沌等特征和现象，并通过试验验证了理论分析的正确性[7-9]。
然而，对于航空发动机而言，其碰摩故障的主要特点在于：（1）机匣属于典型的薄壁结构；（2）主要体现为叶片-机匣碰摩；（3）通常只能测取机匣的振动加速度，而无法得到转子上的振动位移。
转子故障振动机理分析转子故障引起振动有许多形式, 现对其中的几个典型振动故障产生的原因及其对应的振动机理进行如下分析:1.转子不平衡故障及振动机理分析转子不平衡包括转子系统的质量偏心及转子部件出现缺陷;转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材料不均匀等原因造成的，称为初始不平衡。
转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、脱落、碎片飞出等，造成的新的转子不平衡。
转子质量偏心及转子部件缺损是两种不同的故障，但其不平衡振动机理却有共同之处。
振动机理分析:旋转过程中,转子产生不平衡离心力与力矩通过支承点作用在轴及轴承上,引起振动.设转子质量为M（包括偏心质量m），偏心距e，旋转角频率w=2f（v f为v转动频率），在t瞬时位移在直角坐标系分量x，y，如图6-3所示，则可得转子中心运动微分方程为图6-3 转子力学模型则有以上几式中的K可以近似简化为机器的安装总刚度，M为机器的总质量，为K和M构成的振动体的无阻尼固有频率。
为无量纲阻尼因子，它的取值不同，会影响到系统的响应，是激励频率与固有频率之比，也是无量纲因子。
根据上式，按不同的频率比和阻尼系数的变化，作出幅频响应图及相频响应图，如下图所示：图6-4 幅频响应图及相频响应图转子不平衡所引起振动有下列特点:振动方向为径向,振动的特征频率等于转频;转子的轴承均发生较大的振动;在转子通过临界转速时振幅有特别显著的增大;在高速下随转轴转速上升振动很快增大;振动频率与转速相等且为正弦波;在没有带负荷时振动就达到最大值.2.转子不对中故障振动机理分析机组各转子之间由联轴器联接构成轴系，传递运动和转动。
由于机器的安装误差、承载后的变形以及机器基础的沉降不均等，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移等对中变化误差，统称为转子不对中。
转子系统机械故障的60％是由不对中引起的。
