航空发动机振动检测与诊断

航空发动机振动故障诊断及预测方法研究随着民航产业的快速发展和航空业的普及，如何提高航空安全性、降低事故率成为了各方面关注的焦点。

与此同时，航空发动机振动故障也逐渐被重视起来。

本文将针对航空发动机振动故障的诊断和预测方法进行探讨。

一、航空发动机振动故障的种类和原因航空发动机振动故障大致分为四类：疲劳、失衡、机件松动、流体动力学。

其原因主要包括发动机零部件的磨损、使用过程中的自然老化、过度负荷、拖行、差错安装等因素。

而航空发动机振动故障的几种导致原因上述的因素都有可能起到作用。

同时，由于航空发动机的使用频繁、工作强度大，加之工作环境复杂，航空发动机振动故障难以避免。

二、航空发动机振动故障的诊断方法在遇到航空发动机振动故障的情况时，如何进行快速有效的诊断成为了需要解决的问题。

航空发动机振动故障的诊断方法大致可分为两类：非侵入式和侵入式。

1. 非侵入式诊断方法非侵入式诊断方法主要是利用飞行数据记录器（FDR）和数据采集系统（DAS），通过记录飞行数据来判断航空发动机的振动情况。

需要注意的是，这种方法通常是监测整个飞行过程中的振动情况，但难以解决隔离特定零部件的振动故障。

2. 侵入式诊断方法侵入式诊断方法主要是通过航空发动机的故障维修手册（FIM）进行故障诊断。

在此过程中，需要较高的技能水平和专业知识，对维修人员的职业素质也有较高要求。

这种方法的优点是可以准确地确定振动故障的具体原因，进而给出相应的处理措施。

三、航空发动机振动故障的预测方法除了对振动故障进行诊断之外，如何预测航空发动机可能出现的振动故障并及时处理也是解决问题的一种方法。

航空发动机振动故障的预测方法主要是基于振动信号数据，通过振动特征提取、信号分析和预测模型构建等方法来实现。

目前主要的预测方法有：小波包分析、时频分析、稳健性全局最优化、灰色预测模型、支持向量机预测模型等。

值得注意的是，虽然以上预测方法各具特色，并且在实际应用中均取得了一定的效果，但预测模型的建立需要考虑不同航空发动机的特性，并结合不同的振动故障种类进行精细化处理。

航空发动机整机振动测量和分析方法刘兵【摘要】目前国内仍有很多航空发动机试车台使用的是模拟振动测量仪,滤波和积分选择均需针对机型专门定制,灵活性不够,同时也不能分析振动频率,满足不了发动机振动分析的要求;选择合适的振动传感器、振动测量仪并采用合适的软件分析方法,迅速准确地测量发动机的振动值并分析振动频率是发动机厂、所对发动机整机台架试验的要求;在发动机整机振动测量选择了压电式加速度传感器并使用带有抗混滤波的差分放大器以消除频率混叠和共模干扰,编写了专门的振动分析软件,在振动分析软件处理中采用Butterworth滤波器和Flat Top窗函数;该方法能够满足发动机生产厂提出的通带平滑度≤±5％,阻带衰减大于-30 dB/倍频程的滤波要求以及对振动测量精度≤±5％的要求;通过研究提出的航空发动机整机振动测量方法准确可靠,能够满足发动机厂、所对试车台架整机振动测量的要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2019(027)005【总页数】5页(P22-25,43)【关键词】航空发动机;整机振动;滤波器;窗函数【作者】刘兵【作者单位】中航工程集成设备有限公司,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】V216.80 引言航空发动机是一种结构复杂的高速旋转机械，旋转机械不可避免的会出现振动，而发动机的整机振动主要是转子不平衡引起的周期振动和发动机流道内气体流动、燃烧等原因引起的随机振动的复合，由于装配精度以及装配过程中动平衡的情况与发动机实际工况的差异，实际的发动机转子总是会存在一定的残余不平衡量。

发动机台架试车测量整机振动的目的是为了对发动机零部件加工、装配及转子动平衡的质量进行检验的一种手段。

目前国内仍有很多航空发动机试车台使用的是模拟振动测量仪，配套专门的振动传感器完成对发动机的振动测量，选择带有滤波和积分功能的振动信号放大器，滤波和积分选择均需针对机型专门定制，灵活性不够，同时也不能分析振动频率，满足不了发动机振动分析的要求。

的信息熵由下式给出
公式中，是10500转/分。

图1
图1示意图显示了发动机外壳上传感器布置的5个横截面位置。

如图1所示，在五个十字架上测量水平和垂直方向的套管振动部分。

表1给出了五个横截面上传感器的数量，位置和方向的说明。

表1五个横截面上的传感器位置和方向
横截面数量横截面位置描述测量点和方向的描述
第1-1节
第2-2节
第3-3节
第4-4节
第5-5节
在水平方向和垂直方向上的风机
通过中间的套管
通过在水平方向和垂直方向上的
低压涡轮
通过外部附件单元
通过齿轮减速器单元
2前缘的前轴承
2中点水平和垂直方向
2后点的轴承
2水平和垂直方向的外点
1的水平方向上点在发动机的钻机测试中，在不同的操作条件下测量振
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作者简介:尚坤（1993-），男，河南郑州人，
熵计算结果的一个例子。

143.12158.93157.81167.70170.31161.03
（a）IMF分量从1到4（b）IMF分量从5到8
图2正常发动机的EMD分析结果
（a）IMF分量从1到4（b）IMF分量从5到8
图3故障发动机的EMD分析结果。

航空发动机振动信号分析与诊断航空发动机的振动信号分析与诊断航空发动机是现代航空运输的核心组成部分，其性能的可靠性和稳定性是保障航空安全的重要因素。

然而，由于航空发动机作业环境恶劣，长期高速运转、受到飞行器载荷的变化等因素，使得航空发动机易受到各种机械损伤或性能下降的影响，使得发动机出现振动的情况，进而影响整个飞行的安全。

因此，对航空发动机振动信号进行分析与诊断显得尤为重要。

航空发动机振动的信号分析航空发动机的振动信号是指发动机在运转过程中产生的其各个零部件振动所产生的信号。

航空发动机振动的信号分析可以帮助工程师了解设备在工作过程中的状态，及时发现潜在的问题，并做出相应的调整和维护，从而保障飞行的安全。

目前，航空发动机的振动信号主要是通过传感器或其他技术手段进行测量、声学信号的采集和处理等步骤来完成。

该信号的采集和处理在技术层面上是非常成熟的，并且有一系列的工具和资源可以用来分析这种信号。

对于航空发动机振动信号的分析，工程师们需要结合实际需要，采用一系列的技术手段和工具进行有效的分析。

其中，有以下几个方面值得探讨：1.信号的频谱分析频谱分析是航空发动机振动信号分析的基础。

在信号的频域中，工程师们可以看到不同频率的信号和其幅值的关系，并进一步将其转化成对应的图表和带通滤波器等等。

2.信号的时域分析时域分析利用时域分析方法，通过分析原始信号的波形来确定信号的特性和处理方法，包括平均值和根均方值等等。

这种信号分析方法主要是基于傅里叶变换的算法。

这种算法可以将复杂的信号频谱分解成一连串的正弦和余弦函数，这些函数会被合并在一起描述信号的特性和时域特性。

3.谱分析法谱分析法是一种通过自动处理大量噪声数据来减少运行中的误判率的技术方法。

利用此方法，通常可以快速识别出可能存在的机械故障，从而迅速采取一系列应对措施，以保障发动机的运行安全。

航空发动机振动的信号诊断航空发动机振动的信号分析结束之后，接下来的关键是通过诊断分析技术，确定出振动的原因，并做出相应的维护和更换。

振动信号分析与故障诊断振动信号是在很多机械设备中常见的一个现象。

通过分析振动信号，可以获取各种设备的运行状态和性能指标，进而进行故障诊断和预测。

振动信号分析与故障诊断在工业生产中具有重要的应用价值。

振动信号分析是指对振动信号进行处理、提取特征，并进行分析和诊断。

振动信号携带了机械设备的运行状态信息，包含了频域、时域和幅值等多维度的数据。

通过对振动信号进行分析，可以获得设备的各种振动特征，如振动频率、振动幅值、振动模态等。

振动信号分析的方法包括频谱分析、时频分析、小波分析等。

其中，频谱分析是最为常用的方法之一。

频谱分析通过将时域的振动信号转化为频域信号，可以清晰地展示出不同频率分量所占的比例。

通过观察频谱图，可以得出关于故障频率或共振频率的信息。

振动信号的故障诊断是指通过分析振动信号的特征和变化，判断设备是否存在故障，并确定故障的类型和原因。

常见的故障类型包括轴承故障、齿轮故障、偏心故障等。

不同类型的故障在振动信号中表现出不同的特征，如频率的变化、幅值的异常等。

轴承故障是振动信号中常见的故障类型。

轴承故障通常表现为频谱中出现明显的多个高频峰。

通过分析这些高频峰的特点，可以确定轴承故障的类型，例如滚珠疲劳、滚道剥皮等。

另外，轴承故障还会引起振动信号的幅值增大和频率的变化。

齿轮故障是振动信号中另一常见的故障类型。

齿轮故障通常表现为频谱中出现特定的频率分量，称为齿轮特征频率。

通过分析这些特征频率的变化和幅值的异常，可以判断齿轮故障的类型，如齿面磨损、齿根断裂等。

振动信号分析与故障诊断的应用范围广泛。

在制造业中，振动信号分析可以用来监测和评估设备的性能和健康状况。

通过对振动信号进行实时监测和分析，可以及时发现设备的故障和异常，采取相应的维修和保养措施，避免因故障带来的生产停顿和损失。

在航空航天领域，振动信号分析与故障诊断可以应用于航空发动机、飞机结构和飞行控制系统等。

通过对振动信号进行监测和分析，可以判断航空设备的性能和可靠性，并提前做好维修和更换的准备，确保航空器的安全运行。

图1 振动测点位置示意图=16384Hz，采样点时间间隔dt=1/f s=1/16384= 6.1×10-5s=0.061ms。

发生故障时高压13888r/min，此时高压转子旋转一圈的为16384×60/13888≈70.8个点，所1/13888×60≈4.3×10-3s=4.3ms；低4286r/min，此时低压转子旋转一圈的采16384×60/4286≈229.4个点，所需时1/4286×60≈1.4×10-2s=14ms。

2为故障时刻振动测点的时域波形细化图。

由图知：A时刻(6372.443726s)测点3出现波形即涡轮后机匣垂直测点异常；B时刻(6372.444336s)由图可知：在A时刻(6372.443726s)振动突增，高压基频幅值出现增大，低压基频振动幅值随后出现增大(6372.479126s),高低压基频突增时间相差约35.4ms 右。

因此，故障可以基本定位在高压转子。

高压基频幅值增大，可能原因有高压转子叶片丢失引起突加不平衡量、高压转静子碰摩、高压支撑刚度改变等因素。

图3 故障时刻测点3高低压转子基频幅值图2.3 振动突增与转速下降时刻对比发动机台架试车振动测试系统的转速求解一般采用正向求解方法，即通过计数单位时间内转速信号的波形个数正向求得，如图4（a）所示。

本文为得到更为精确的转速变化情况，采用逆向求解方法，如图4（b）所示，通过单个完整波形所用时间dt，反向推导出单位时间内波形个数n，n=1/dt。

在数据处理过程中应用到移动平均、重叠率等信号处理技术。

图5是高/低压转速下降与振动突增时刻先后图，由于故障时刻高/低压转速及转子传动系统的差异，低压转速每0.367ms计算出一个数据点，高压转速每0.214ms计算出一个数据点，振动值每0.031ms计算出一个数据点。

由图可知：A时刻（6372.443726s）测点图5 转速下降与振动突增时刻先后图轴承故障分析为判断发动机的故障是否造成涡轮后机匣附近高压转子支撑系统的轴承损坏，结合轴承信号的传递路径，针对发动机3号和4号轴承分别选取测点2（中介机匣水平）和测点3（涡轮后机匣垂直）的振动数据，提取轴承故障特征频率。

航空发动机是结构紧凑的高速旋转机械，在运行过程中经常会出现振动方面的故障。

发展综合振动故障诊断技术，开展振动故障机理研究，是解决航空发动机振动故障的有效途径。

振动是航空发动机的一个重要监控参数，发动机在进行试验时，需要解决各种振动问题。

发动机振动之所以特别重要，是因为振动直接影响发动机的正常工作和寿命，如果发动机出现振动异常而不及时加以检查排除，就有可能造成严重的后果。

因此，航空发动机振动故障诊断一直都是航空发动机试验测试中的一个重要研究课题。

典型的发动机振动故障航空发动机的振动故障具有复杂性和随机性，引起发动机振动故障的原因多种多样，其振动故障现象各不相同，典型的航空发动机振动故障及其特征简要归纳见表1。

表1 典型航空发动机振动故障原因及振动特征发动机振动测量建立满足测试目的和要求的振动测量系统、选择相应的振动测量方法是开展振动故障诊断的重要基础。

振动测量系统振动测量系统包含测振托架、振动传感器、传输电缆、信号适调器、数据记录（存储）、分析仪和以计算机为中心的数据处理系统等部分。

测量时应合理布置振动监测点，选取并正确安装满足要求的振动传感器，选用符合要求的电缆并合理固定，确保绝缘性和屏蔽性，保证信号有效传输，避免干扰和失真。

目前，在航空发动机振动测量中，广泛采用的振动传感器是压电式加速度计，该类传感器具有频响范围较宽、体积较小、使用寿命较长等优点。

振动测量方法航空发动机振动测量分为静态和动态两种。

静态测量是在研制过程中为了获取发动机的静态振动特性和结构模型参数，采用加激励的方法进行测量。

动态测量是在发动机运转情况下进行的，用于实时监测发动机工作状态、诊断振动故障。

目前，航空发动机整机振动测量时，均采用振动位移、振动速度或振动加速度作为显示参数和限制参数。

一般说来，对于较低频率振动用振动位移进行显示和限制；对于中等频率振动用振动速度进行显示和限制；而较高频率振动则用振动加速度进行显示和限制。

从对发动机整机振动限制的基本要求和发展趋势看，选择用振动速度进行显示和限制相对较多。

航空发动机的振动与噪声分析一、引言航空发动机是飞机的核心装备，因此其性能的稳定性和可靠性对于保障飞机的安全和运营至关重要。

然而，航空发动机在运行过程中会产生各种各样的振动和噪声，这些振动和噪声会对发动机和飞机的其他部位造成损害，影响飞机的安全性和使用寿命。

因此，对航空发动机的振动和噪声进行深入的分析和研究，对于提高发动机和飞机的性能和可靠性，有着重要的意义。

二、航空发动机振动的来源和影响（一）航空发动机振动的来源航空发动机振动主要来自于以下几个方面：1.气动力振动：由于流体在发动机内部的流动引起振动，例如气动力脉动、稳定振荡和涡激振荡等。

2.机械振动：由于发动机旋转部件的不平衡、偏心和失衡等原因引起的机械振动，例如旋转不平衡、转子动力学振动和齿轮传动振动等。

3.热振动：由于温度的变化引起的热膨胀和热应力等原因引起的振动。

4.控制振动：由于主要机构和辅助机构的振动控制不良、稳定性不足和调节不当等原因引起的。

（二）航空发动机振动的影响航空发动机振动的影响主要有以下几个方面：1.机械疲劳：振动是发动机疲劳和损坏的主要原因，长期的振动会引起旋转部件的疲劳裂纹和损伤。

2.噪声：振动会产生噪声，并通过外观结构传递到飞机的其他部位，影响飞机的安全性和使用寿命。

3.不良的舒适性：振动会影响机组人员和乘客的舒适性，同时也会影响飞行人员的工作效率和对发动机的观察能力。

4.其他方面：航空发动机振动还可能影响发动机的整体性能，例如燃油消耗、电力输出和环境污染等。

三、航空发动机噪声的来源和影响（一）航空发动机噪声的来源航空发动机噪声主要来自于以下几个方面：1.气体流动噪声：由于气体流动过程中产生的噪声。

2.旋转部件噪声：由于旋转部件的摩擦声和其他噪声引起。

3.内燃机噪声：由于内燃机原理产生的噪声，例如火花塞爆炸和燃烧噪声等。

4.排气噪声：由于排气过程中产生的噪声。

（二）航空发动机噪声的影响航空发动机噪声的影响主要有以下几个方面：1.人员健康：长期处于高噪声环境下可能会对人们的健康产生影响，例如失聪等。