陈清阳

摘 要：航空发动机是高速旋转的机械装置，其通常在高温、高压的恶劣条件下工作，整机振动故障频率高，发动机维修成本大，采取有效控制手段来减少发动机振动故障成为当前发动机研究工作的重点。频谱分析是发动机故障诊断中使用广泛的信号处理方法，可对振动信号进行频谱分析，小波包和谐波小波具有很好的细化分辨能力和很高的频率分辨率能力。运用小波包和谐波小波对振动信号进行频谱分析，综合对比分析表明，谐波小波变换具有任意划分数据段的能力，小波包具有运算速度快的优点。

关键词：航空发动机;振动故障;维修技术

中图分类号：V263.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0054-03

Abstract： An aero engine is a mechanical device that rotates at high speed， and it usually works under severe conditions of high temperature and high pressure， the vibration frequency of the whole machine is high， and the engine maintenance cost is large， taking effective control measures to reduce engine vibration failure has become the focus of current engine research work. Spectrum analysis is a widely used signal processing method in engine fault diagnosis， which can perform spectrum analysis on vibration signals， wavelet packets and harmonic wavelets have a very fine resolution and high frequency resolution. Wavelet packet and harmonic wavelet is used to analyze the frequency spectrum of the vibration signal， comprehensive comparative analysis shows that the harmonic wavelet transform has the ability to arbitrarily divide the data segment， and the wavelet packet has the advantage of fast operation speed.

Keywords： aero engine;vibration failure;maintenance technology

航空發动机工作条件复杂，研制周期长，关于航空发动机整机振动国际性难题，我国相关研究成果较少，国内具备发动机整机振动试验条件的设计单位和生产单位、一些高校针对发动机工作中影响振动的关键部件开展研究。由于小波具有很好的始频域分割能力，有学者将谐波小波应用到振动信号分析中，克服了小波包失真的缺点。国家某重点型号发动机经多年攻关设计定型，承担我国航空发动机发展的使命。发动机生产中，整机振动问题突出，航空发动机装配后续通过试车确定是否可出厂，发动机试车中经常出现振动故障，当前有必要对发动机生产中振动问题进行技术研究，设计振动数据库及故障诊断技术，为发动机排振工作提供技术支持。

1 航空发动机整机振动故障机理

航空发动机是无限自由度振动系统，各种激励振动影响发动机整机振动，由于发动机结构复杂，安全性能要求更高。信号是信息的载体，需要转化为传输媒质能接受的信号形式，振动信号分为连续信号与离散信号，振动是动态量，航空发动机是复杂的机械装置，其振动信号形式非简谐振动[1]。

航空发动机振动分析不能脱离高低压转子转频，通过对振动信号进行傅里叶变换，能将复杂振动信号频率分量幅值进行简单处理。频谱分析为故障诊断的基本工具，人们可以采用小波分析法进行频谱分析，确切地诊断故障类型。不同故障对应的频率特征不同，多种故障频率具有很强的相似性。将振动信号对时间求导能得到振动速度与加速度。振动位移与加速度信号频率相同，振动速度幅值为位移和频率平方乘积。振动速度相位滞后振动加速度相位90°，运用性质不同的振动信号诊断故障，故障相同时表现出不同特征。

故障诊断建立在深入的特征提取基础上，通过检测得到机械运行信号，包含系统状态信息。人们需要采用多种手段对信号进行处理，选择对工况状态敏感的特征参量进行发动机设备故障诊断，判断特征分析结果是否可靠，特征分析方法包括信息处理技术手段，如数字信号处理、图像识别等。信号时频域思路是设计时间与频率的联合函数，频域分析方法提供时间频域率联合分布信息。振动在发动机故障中占很大比重，振动反映设备监控状况，发动机等旋转机械正常运行使振动值较小，振动值变大说明设备出现故障。

2 基于小波的发动机整机振动故障诊断技术

由于故障发生引起信号频率结构变化，为了解信号动态行为，人们需要掌握频域信息。频谱分析是将复杂时间历程波形经频域变换分解为谐波分量进行研究，传统基于短时傅里叶变换的振动数据处理存在时频窗宽固定的缺点，20世纪90年代以来出现新型数据处理方法，小波变换法可调整时频窗结构[2]。

采用加速度传感器对涡扇发动机各部位进行振动信号采集，测点选择必须代表发动机整体振动状态。频域和时域构成观察信号方式，信号频域表示信号在频域的特征，FFT是整体比变换，功率不能显示某种频率分量出现变化，大部分信号非平稳，信号在时域的全局特性不够，小波是有效的时域分析方法。小波包变换需要根据振动信号特点选取小波基，选择不同小波基对信号处理，得到的结果存在很大差别。常见小波基函数不能应用振动信号分析处理。选择支集长度在5～9内的小波，支集过长会产生边界问题，过短不利于信号能量集中。

小波分析中广泛使用的Daubechies类小波为实小波，通过构造相应正交滤波器{hk}实现信号小波分解，其他类型小波基函数被构造出来进行深入研究。谐波小波是复小波，其伸缩与平移构成L2（R）空间规范正交基，分解算法通过信号FFT实现，算法速度快，具有很好的工程应用价值。谐波小波对称性使其在频域上收敛性较好，而谐波小波具有无限长时域分布特性，可对谐波小波加窗。应用谐波小波变换对发动机整机振动故障诊断，基于谐波小波变换，发动机整机振动故障特征频率可精确表示[3]。

发动机慢车状态前垂测点时域图与频谱图如图1所示。首先分析前中后垂与中水测点振动信号，发动机由慢车到最大状态试车，为确定故障类型，根据谐波小波变换模型，任意输入初始化参数，对各测点进行细化分析。根据参数选择试验，确定合适的参数。时频图根据选择参数进行谐波小波变换，得出系数。600～1 000 Hz内颜色较暖，前垂测点在10～15 s出现严重故障。400～600 Hz内颜色较暖，推测后垂测点在5～15 s出现严重故障。200～1 000 Hz内颜色较暖，中垂测点在5～20 s出现严重故障。200 Hz左右颜色较暖，中水测点在12 s左右出现故障，推測中水测点故障不明显。

为确定故障类型，人们需要利用测点谐波小波变换系数进行频谱分析。发动机由慢车到降速状态试车时，前中后垂与中水测点振动异常，谐波小波变换时频分析中选择数据段为2 s，前垂测点频谱图中幅值较大，频率出现在232.6 Hz与127.25 Hz处，根据故障特征频率对应特征，确定前垂测点振动由于高压转子不平衡所致。幅值8 024 mm/m2为高低压转子组合频率。由于存在倍频成分，发动机可能存在轴承松动故障。小波包在每层分解对原始信号一分为二，把信号分成高低频段，造成有的故障诊断不出来，小波包分解在小波基选择上不适合，只能在探索中找到合适的小波基才能准确诊断发动机振动故障，小波存在频移缺点，谐波小波能准确诊断故障类型，但运行时间较长。

3 发动机整机振动故障诊断系统设计开发

Visual Basic是Microsoft公司研究的快捷设计界面，用户界面可使客户简单进行界面设计，利用Visual Basic数据库连接功能与Oracle数据库连接。Oracle数据库是关系型数据库，支持所有操作系统，具有参照完整性的优点，使用SQL标准数据库语言编程，具有数据库操作等优点，发动机整机振动数据需要存储在Oracle数据库。

Matlab是集算法开发与数值计算的数学软件，其指令表达式与工程中常用形式相似，可方便实现用户所需计算功能，求解问题方便，前台用户界面用Visual Basic编写，MATLAB完成后台计算任务。利用Visual Basic访问Oracle数据库方法包括DAO、ADO、OO4O，利用使用方便、可访问不同数据源的ADO访问数据库。利用ODBC法将MATLAB与Oracle数据库连接。MATLAB运用ODBC建立数据源，MATLAB运用运算功能进行数据处理，将结果传递给VB显示。MATLAB提供与C/C++语言接口，可通过ActiveX方式实现与Visual Basic混合编程。

Windows平台可使用MATLAB作为应用程序，MATLAB可执行语句进行运算等处理工作。需求分析是指数据库设计前了解用户需求，包括数据流等数据处理工作，需求分析可反映用户要求，影响设计结果准确性。发动机整机振动故障诊断系统的目的是收集和读取存储在数据库中的振动数据，MATLAB进行数据计算时连接Oracle数据库，实现故障诊断算法后将结果传递给Visual Basic。系统添加用户登录等功能，对数据库进行数据显示等操作。

设计发动机整机振动故障诊断系统完成Visual Basic与Oracle数据库的连接，MATLAB作为算法实现工具，用MATLAB调用存储在Oracle数据库中的数据，将运算结果传递给Visual Basic进行数据显示。数据库系统是数据存储工具，数据库设计关系到运算诊断效率，数据设计前要了解需求，确定整体设计模块结构，设计数据库名称为Vibration，可在OEM网页形式编程，输入数据库用户名，点击登录，使用SQL语言建立用户注册信息表。用户管理模块包括添加用户模块，登录模块进入主系统前进入登录界面，发动机整机振动故障诊断系统确定用户名是否正确。数据管理模块实现数据库提取振动数据显示，将结果传递给Visual Basic中。

4 结语

本文对航空发动机整机振动进行故障诊断，小波时频特性可以方便对振动信号进行时频分析，根据故障特征进行诊断，运用小波包进行振动信号分析，研究结果表明，小波包具有信息点易丢失、边界失真效应等劣势，故障频率与实际有误差。谐波小波能检测振动信号中的微弱信息，是谐波小波盒形特性的体现，由于发动机整机振动信号原始数据大，运算时间较小波包法长，应用谐波小波能细化频率段，输入分析频率小可减少频率误差，谐波小波变换法适合航空发动机整机振动故障诊断。设计发动机整机振动故障诊断系统，可以提高工作效率，方便发动机整机振动故障诊断。

参考文献：

[1]金艳.某型航空发动机整机振动故障诊断技术研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2012.

[2]王树兰.某航空发动机振动故障诊断[D].长沙：湖南大学，2011.

[3]费成巍.基于信息融合的航空发动机整机振动故障诊断技术研究[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2010.