基于靜電感應原理的碰摩故障在線監測方法研究

葉片和氣路機械的常見故障是航空機械的故障，對飛機安全有很大影響。碰摩故障會改變轉子系統的力平衡和動剛度,引起振動加劇,使葉片壽命降低,其次造成間隙增大、效率降低,最終使發動機性能下降。然而由于減小葉尖間隙能夠有效提高發動機效率,制造商將航空發動機的葉尖間隙做的越來越小,使得碰摩故障更容易發生。葉片與機匣碰摩屬于典型的旋轉機械故障,目前對該問題的研究主要集中在基于轉子動力學分析的故障建模和故障辨識方面,能夠在一定程度上揭示碰摩的故障特征,但由于航空發動機的結構復雜,是一個無限自由度的振動系統,無論用解析法或實驗法都難以徹底研究其振動特性,實現碰摩故障的在線監測與診斷仍然非常困難,對碰摩故障的早期預警則更加困難。航空發動機氣路顆粒靜電監測技術是一種新型監測技術。該技術是基于靜電感應的原理,利用靜電傳感器對氣路靜電荷整體水平進行監測,以達到氣路部件早期故障監測和故障預警的目的。氣路典型的故障(葉片碰摩、導向葉片燒蝕掉塊、燃燒室燒蝕)在其發生的最初階段便會產生顆粒,氣路顆粒靜電監測技術能夠在故障顆粒剛剛產生時監測到異常,因此能夠提供氣路早期故障預警。其他的發動機監測技術,如振動監測和性能監控則只能對原始故障產生的征兆進行監測。例如,在渦輪葉片碰摩發生時,只有損失了足夠多的材料導致不平衡,才能因振動加劇而監測到異常;對性能監控而言,只有葉尖間隙已經影響到所監控的性能參數(溫度、壓力等),才能監測到故障。氣路顆粒靜電在線監測技術能夠實現早期故障預警和故障跟蹤,對于未來航空器的健康管理理念的實施具有重要的意義。文獻在一個發動機加速驗證項目中對碰摩類故障的靜電監測方法展開實驗研究,研究結果表明碰摩故障首先會造成靜電活動率水平(ActivityLevel,AL)增大,其次在信號中出現軸頻成分。文獻在發動機低壓渦輪上模擬了碰摩故障,尾氣靜電監測顯示碰摩在發動機加速階段狀態突變時發生,活動率水平超出正常范圍。文獻對軸彎曲造成的碰摩故障進行研究,研究表明活動率水平出現峰值,并且信號中軸頻成分也有增大。由于靜電監測技術被美國列為軍事技術限制出口,目前國內尚處于實驗探索階段。本文建立了周期碰摩靜電感應理論模型,并進行了兩組模擬實驗,分別驗證了靜電監測碰摩顆粒的可行性和利用軸頻參數識別周期碰摩故障的可能性。1尾氣中靜電荷水平氣路靜電監測是基于靜電感應原理,如圖1所示。該技術通過監測發動機尾氣中的靜電荷水平來判斷某些早期故障。正常發動機尾氣中的靜電荷水平隨著發動機工況的變化而變化,在一個正常范圍內波動。當氣路中出現某些故障時,因故障產生的顆粒增多造成靜電荷水平超出該范圍,被傳感器監測到。2葉片接觸摩擦軸的產生與荷電機有關的機理2.1高速干擾結構中的小顆粒和干片磨損率,容易產生大量的研磨和磨損小從摩擦學的角度來看,葉片與機匣碰摩屬于典型的高速干摩擦過程,即摩擦副之間沒有任何潤滑劑或保護膜的純固體高速接觸摩擦形式:葉片劃過機匣表面的速度超過100m/s,產生極高的表面溫度(可達700～800℃以上)、造成材料的過量磨損,并產生大量的磨粒,甚至葉片損傷。干摩擦的磨損量高于潤滑條件下幾個數量級,材料在高速干摩擦條件下的磨損率可以近似用Archard磨損定律表示:W=kΡVΗ(1)W=kPVH(1)式中:W為磨損率;k為磨損系數;P為載荷;V為滑動速度;H為摩擦副中較軟材料的硬度。從式(1)可以看出,對于特定的葉片-機匣摩擦副,碰摩時的磨損率與載荷、滑動速度成正比,與較軟材料的硬度成反比。碰摩會產生粒徑差別很大的顆粒產物。小顆粒的產生通常是由于葉片和機匣間漸進的接觸摩擦,而大顆粒產物則是由于葉片機匣間嚴重的碰摩,在劇烈的碰撞和沖擊下產生。葉片與機匣碰摩產生的顆粒產物粒徑通常在40μm以上。2.2磨粒的荷電特性碰摩顆粒帶荷電的原因非常復雜。磨粒在產生時就已帶有靜電荷(本文的實驗也證明了這一點),與高速氣流和其他磨粒摩擦作用下會得到或失去電荷,經過渦輪段高溫環境時會繼續吸附電荷,直到最后經過尾噴管時被傳感器監測到。在磨粒產生的初期,荷電機理主要包括破裂起電和摩擦起電,荷電量與碰摩摩擦副的材料特性、碰摩時的速度、壓力和溫度等因素有關。文獻認為碰摩顆粒產物上的靜電荷與顆粒產生時表面形狀的改變或原子鍵的斷裂有關。磨粒產生后,會在氣路高速氣流的帶動下與氣流劇烈摩擦而起電。除此之外,燃燒室中的熱電離過程以及電荷吸附也是導致碰摩顆粒產物帶荷電的主要原因。3靜電監測的特征參數3.1采樣總alt活動率水平用于度量信號中的高頻成分,并表征氣路中小顆粒的數量。在碰摩故障發生時,活動率水平會超出正常范圍。活動率水平的定義為AL(t)=√1Τ∫Τ0C2f(t)dt=√1ΝΝ∑n=1C2fn(2)AL(t)=1T∫T0C2f(t)dt???????????√=1N∑n=1NC2fn????????ue001?ue000ue000(2)式中:Cf為經帶通濾波的感應電荷信號;T為所取時間長度,通常取為1s,即每1s長度計算一個AL點;N為Cf(t)經離散采樣后在T內的采樣點數;Cfn為Cf(t)經離散采樣后的感應電荷信號。3.2al點對應的靜電信號段采樣事件率(EventRate,ER)的定義為ER(t)=ΜΝ×100%(3)式中:M為每一個AL點對應的靜電信號段中超過AL值K倍的點的個數,本文中K=2;N為該信號段中總采樣數。事件率是以百分比表示的,按照靜電信號的正負分別計算為正事件率(PositiveEventRate,PER)和負事件率(NegativeEventRate,NER)。3.3顆粒的檢測與轉速軸頻分析(ShaftOrderAnalysis,SOA)用于分析顆粒的產生是否與軸的轉速有關,也用于識別與軸旋轉頻率相關的故障(如葉尖碰摩)。4周期拉動點靜電感應信號分析從目前國外的相關研究來看,葉片碰摩會造成靜電監測信號兩方面的異常:一是活動率水平增大;二是出現軸頻成分。由于其他故障類型(例如燃燒效率下降)也可能造成活動率水平增大,所以軸頻分析是靜電方法檢測碰摩故障的關鍵。目前國外的研究文獻中雖然給出了一些碰摩故障的軸頻檢測結果,但并沒有分析過靜電感應信號中出現軸頻成分的原因,更沒有給出相應的理論模型。本節從靜電傳感器理論出發,以直線運動點電荷靜電感應信號為基礎,結合轉子動力學中周期性碰摩的結論,推導出周期碰摩靜電感應理論模型。該理論模型是受滾動軸承單點損傷故障診斷模型的啟發而來。4.1傳感器表面電通量q設q為一點電荷,以q為中心,x為半徑做一閉合曲面s,根據高斯定理,通過s的電場強度E=qε4πx2(4)式中:ε=ε0εr,ε為s曲面內部的介電常數,ε0為真空中的介電常數,εr為實際介質中的相對介電常數。設傳感器上感應電荷量為Q,傳感器感應面積為A,由于點電荷發出的電場線僅有一部分收斂于傳感器表面,沿著該表面做一高斯面,其電通量可近似表達為AEA≈QE(5)式中:EA為A區域的電場強度,在傳感器表面近似有EA=E。由式(4)和式(5)可得Q≈Aqx2(6)即靜電傳感器表面的感應電荷量Q正比于施感電荷q,反比于二者之間距離的平方。4.2探極器輸出信號模型設顆粒在傳感器探極上的感應電荷量為Q(t),輸出電壓的測量可由圖2所示的電路表示。圖中:R為測量回路的等效電阻;C為測量回路的等效電容。假設電路的初始狀態為零,則輸出電壓的拉普拉斯變換U(s)和感應電荷的拉普拉斯變換Q(s)之間的關系為U(s)=RsQ(s)/(RCs+1)(7)當RCs?1時,測量模型等效為U(t)=RQ′(t)(8)即傳感器的輸出信號與探極上感應電荷的一階導數成正比,輸出信號表示的是感應電荷變化率。根據式(6)和式(8)可計算得出點電荷以恒速做直線運動經過傳感器時的輸出信號及其頻譜,如圖3(a)和圖3(b)所示。4.3靜電傳感器的周期運動假設將葉片與機匣間一次接觸-分離的碰摩過程產生的顆粒視為點電荷,將引起傳感器輸出一個如圖3(a)所示的信號。由于碰摩通常是周期性的,磨損產物將引起周期性的靜電感應脈沖,若假設每次碰摩產生的顆粒荷電量相同,并以相同的速度和方向經過傳感器,碰摩引起的傳感器輸出信號可表示為s(t)=u(t+nΤr)(n=1,2,3??)(9)式中:u(t)為輸出電壓;Tr=1/fr為碰摩周期;fr為碰摩頻率,即u(t)在信號中以等間隔Tr周期性出現。如圖3(e)所示。令周期脈沖函數為(見圖3(c))d(t)=+∞∑k=-∞d0δ(t-kΤr)(k∈Ζ)(10)式中:d0為脈沖強度;δ(t)為脈沖函數。根據卷積定理,s(t)可看做是由u(t)函數和周期脈沖函數d(t)卷積的結果,即在每個周期脈沖處重構u(t)。s(t)=u(t)*d(t)(11)式中:*表示卷積運算。設u(t)、d(t)和s(t)函數的頻譜函數分別為U(f)、D(f)和S(f),根據卷積定理,時域卷積等于頻域乘積:|S(f)|=|U(f)?D(f)|(12)周期脈沖函數的頻譜依然是一系列以脈沖頻率為間隔的周期脈沖(見圖3(d)),U(f)如圖3(b)所示,二者相乘的結果如圖3(f)所示。周期碰摩在靜電傳感器上的輸出是一系列以碰摩頻率fr為間隔的隨頻率增大幅值迅速衰減的周期離散譜線。因為碰摩頻率與轉子轉速有關,所以當傳感器輸出信號頻域中出現具有如圖3(f)所示特征的譜峰時,表明可能發生了碰摩。5鐵基鎳合金顆粒嚴重的碰摩故障在葉片與機匣之間發生,以發動機渦輪碰摩為例。渦輪葉片由于可能承受外來物沖擊和較高的制造成本,強度和硬度通常較高,常用的材料為鎳基高溫合金,硬度通常在40HRC以上。渦輪機匣常用的材料之一包括鐵基高溫合金,硬度在30HRC左右。因此,在這樣的葉片-機匣摩擦副下的磨損產物主要為鐵基鎳合金顆粒。考慮到鐵基高溫合金中鐵的含量非常高(以GH34鐵基合金為例,其中鐵的含量超過95%),而顆粒的荷電特性主要由顆粒材料決定,所以本節采用普通碳素鋼作為替代物,用砂輪碰摩的方式進行模擬實驗,驗證靜電傳感器監測碰摩產物的可行性。5.1砂體表面顆粒收集和放建立實驗環境如圖4所示。在不銹鋼管道的一端安裝中壓風機、固定的碰摩材料以及碰摩砂輪。碰摩材料為Q235A碳素鋼,碳素鋼與砂輪碰摩產生磨粒,以模擬葉片與機匣碰摩產生的顆粒。在碰摩發生位置后側安裝中壓風機,用于產生高速氣流,在管道的另一端安裝軸流風機,磨粒在高速氣流帶動下經過管道。采用自行研制的靜電傳感器進行監測,傳感器探針直徑為8mm,長度為250mm,傳感器裝于管道側壁,距碰摩點0.7m,傳感器探針上套有陶瓷管,以避免顆粒與探針之間發生接觸。采樣頻率為2000Hz。設顆粒在傳感器探極上的感應電荷量為q(t),傳感器輸出電壓為u(t)。靜電傳感器如圖5所示。本文模擬的是葉片與機匣間發生的碰摩故障,將砂輪碰摩產生的顆粒收集后,在顯微鏡下進行觀察,典型磨粒放大圖像如圖6所示。采用廣州光學儀器廠的透反射雙光源顯微鏡L2020A作為放大設備,物鏡放大倍數為10倍,采用大恒圖像公司的DH-HV3102UC數字攝像機作為顯微圖像的采集設備。碰摩產生的典型顆粒等效直徑約126μm。5.2時域信號分析在常溫環境下進行兩組砂輪碰摩實驗。測得常溫碰摩靜電監測時域信號,如圖7所示。可以明顯看到,在碰摩發生的時間內,信號幅值出現了明顯的變化。第2組實驗進行了兩次碰摩,間隔10s,如圖7(b)所示。5.3摩擦學行為的信號仿真取圖7(a)所示信號無碰摩段和碰摩段信號各5s,分別進行時域統計特征分析,結果表明碰摩期間信號的標準方差值從0.2036增大至3.9015,極差從1.2817增大至40.4663,表明碰摩階段的靜電感應信號偏離其平均值的程度加劇,信號幅值的變化范圍增大。碰摩實驗證明:碰摩顆粒產生時是帶電荷的。碰摩使靜電感應信號的標準方差和極差增大。5.4圖1:美國專家書法優選擇對圖7的實驗結果做頻譜分析,功率譜密度如圖8所示。圖中較為明顯的幾個譜峰峰值均為50Hz或其倍頻,可以判斷這些峰值均為市電電源以及電機引入的工頻干擾及其倍頻。5.5窗口間交迭長度和變換點分布對兩組碰摩實驗信號分別做短時傅里葉變換。矩形窗口長度為2560,窗口間交迭長度為1280,變換點為2560。得到實驗信號時頻分布如圖9所示。為了方便對照,將原始實驗信號與時頻圖放在一起對比,可以看到,在碰摩發生的時間內,頻域出現了明顯的變化,頻譜幅值明顯增大。5.6信號濾波后的al由于實驗測得的是電壓信號,在計算AL前需要對信號做積分運算,積分間隔為1s。AL參數用于衡量信號中的高頻成份,通常需要在計算前對信號做帶通濾波,本文采用小波方法對信號進行濾波。利用小波的優良濾波特性,對信號進行一層分解后單支重構,得到信號低頻部分、高頻部分和母小波。對高頻部分做積分后計算AL、PER和NER參數變化,如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看到,感應電荷信號的AL在無碰摩發生時相對比較平穩,在模擬碰摩時間段內參數出現了非常明顯的變化。圖11中,兩次碰摩間隔時間內,AL參數恢復到了無碰摩時的水平,碰摩停止時又恢復至接近于零。在兩次碰摩過程中PER和NER沒有出現明顯的異常。6接觸實驗2：軸頻試驗6.1靜電傳感器的使用由于在轉子實驗臺上很難實現模擬碰摩并周期性產生磨粒,采用如圖12所示的簡化方案進行實驗,目的是證明利用軸頻參數識別周期碰摩的可能性。將一根硬鐵絲的中點處固定在一部調速電機的軸上,在鐵絲的兩端各固定一小塊相同大小的泡沫塑料,泡沫塊極易帶電,用于模擬點電荷。將靜電傳感器置于電機下方,探極與電機軸平行。泡沫塊最低點距離探極約10mm,鐵絲長度約1m,可以近似認為泡沫塊在其最低點以直線運動經過探極的敏感空間,而感應電荷量與距離的平方成反比,因此位于遠端的泡沫塊在探極上感應出的電