套齿连接结构早期摩擦失稳故障识别方法与流程

mechanical engineering)一文中研究了航空发动机套齿联轴器的连接刚度，推导了套齿动态啮合力计算模型，分析了随扭矩、套齿不对中和动态相对位移变化的套齿啮合力和啮合刚度，依据航空发动机套齿连接结构，建立了含套齿连接结构的三支点转子动力学模型，分析了套齿连接结构刚度对系统频率响应特性的影响，在考虑转轴间角度不对中的情况下，分析了套齿连接刚度对系统不对中响应的影响规律。c.p.roger ku等人在“dynamic coefficients of axial spline couplings in high
‑
speed rotating machinery”(ku c.p.roger,walton j.f.,lund j.w..dynamic coefficients of axial spline couplings in high
‑
speed rotating machinery[j].journal of vibration and acoustics,1994,116(3):)一文中表明套齿之间的内摩擦力是导致转子非协调进动失稳的主要原因，失稳转速高于1阶临界，但失稳频率约等于1阶频率。
[0004]
在公布号为cn110630646a的发明中提出了一种新型的套齿连接结构，该结构通过弹性模联轴器和扭矩传递套齿连接两根轴，实现两根轴之间的高速扭矩传递，套齿接头采用渐开线齿形，通过齿间空间的合理设计，使得内外套齿接头易于装配，通过高齿轮精度和安装精度的要求，使得套齿接头受力均匀、传动平稳且振动小，该发明解决了在高转速、大工况下离心力过大，套齿联轴器连接处应力过大的问题，但是仍然无法完全避免由于摩擦带来的套齿失稳。公布号为cn204716783u的发明提出了一种减少套齿齿侧面容易磨损的思路，只需要在带套齿轴中的套齿出现磨损时更换套齿装置而不需要更换整根带套齿轴，提高了带套齿轴的寿命，降低了带套齿轴的维护成本，但是该发明也仅仅是在套齿齿面出现磨损时更换套齿，无法解决监控由摩擦带来的套齿失稳这一实际问题，一旦发生失稳故障，这些改进过的套齿连接结构都无法保证航空发动机的安全可靠运行。
[0005]
王彤在“带套齿联轴器转子稳定性分析”(王彤,王立,廖明夫.带套齿联轴器转子稳定性分析[j].航空发动机,2021,47(03):66
‑
71.stability analysis of rotor with spline coupling[j]journal of aeroengine)一文中介绍了套齿连接结构失稳的故障机理，阐述了带套齿转子在内阻尼c作用下转子的振动响应，通过理论推导得到了套齿齿面的摩擦力会给转子带来反对称交叉刚度，这个反对称交叉刚度会引起转子失稳，并且提出带套齿连接结构的转子由于套齿摩擦产生的失稳，会存在由稳定状态向严重失稳状态过渡的中间状态，称为早期摩擦失稳状态，但却并未对如何监控带套齿转子早期摩擦失稳状态展开更深入的研究。如图1所示，转子处于早期摩擦失稳状态时，套齿结构已经出现故障，但是转子的振动幅值并没有像严重失稳状态那样产生突增，容易与稳定状态混淆。早期摩擦失稳若不及时排故，随着转速增加，就会发展成为严重失稳，严重损伤发动机运行的安全性。因此监控带套齿连接结构的转子早期摩擦失稳故障，并在早期摩擦失稳状态时及时停车，避免发动机状态进一步发展成为严重失稳，可以有效减少失稳故障对发动机造成的损害，及时检查故障情况并且及时更换维修，可以进一步保障设备安全可靠的运行。早期失稳故障怎样去辨识，需要专门提出相对应的方法与流程，但目前尚无相关专利研究对此展开深入分析。


技术实现要素：

[0006]
为克服现有技术中存在的缺少一种简单有效的套齿连接结构早期摩擦失稳故障的不足，本发明提出了一种航空发动机带套齿转子早期摩擦失稳故障识别方法。
[0007]
本发明提出的套齿连接结构早期失稳故障识别方法的具体过程是：
[0008]
步骤1：确定带套齿连接结构的转子系统的临界转速：
[0009]
由之前的研究可以看出，套齿连接结构早期失稳故障发生的转速在一阶临界转速之上，同时失稳的振动的频率与一阶临界转速的频率相等。因此需要确定带套齿连接结构的转子系统的一阶临界转速。
[0010]
确定带套齿连接结构的转子临界转速方法有很多，例如通过实验的方法来确定，通过有限元方法计算或者通过商业软件进行计算等。本技术中，以有限元方法为例进行计算。
[0011]
将所确定的带套齿连接结构的转子系统结构简化为有限元模型的过程为：将低压轴简化为若干低压轴梁单元的组合，将高压轴简化为若干高压轴梁单元的组合，将低压风扇简化为柔性低压风扇圆盘单元，将低压涡轮简化为刚性低压涡轮圆盘单元，将风扇前滚子轴承简化为风扇前滚子轴承单元，将低压涡轮后滚子轴承简化为低压涡轮后轴承单元。将高压压气机简化为刚性高压压气机圆盘单元，将高压涡轮简化为刚性高压涡轮圆盘单元，将高压压气机前滚子轴承简化为高压压气机前滚子轴承单元，将中介滚动轴承简化为中介滚动轴承单元。将套齿连接结构简化为套齿连接单元。将机匣简化为无质量机匣单元。
[0012]
该有限元模型参数包括：弹性模量、剪切模量、材料密度、高压轴梁单元直径、低压轴梁单元内径、低压轴梁单元外径、阻尼、柔性低压风扇圆盘单元质量、刚性高压压气机圆盘单元质量、刚性高压涡轮圆盘单元质量、刚性低压涡轮圆盘单元质量、柔性低压风扇圆盘单元转动惯量、刚性高压压气机圆盘单元转动惯量、刚性高压涡轮圆盘单元转动惯量、刚性低压涡轮圆盘单元转动惯量、套齿连接结构单元刚度、套齿连接结构单元阻尼、间隙最小值、中介滚动轴承单元位置、柔性风扇低压圆盘单元位置、低压涡轮圆盘单元位置、风扇前滚子轴承单元位置、低压涡轮后轴承单元位置、高压压气机前滚子轴承单元位置、刚性高压压气机圆盘单元位置、刚性高压涡轮圆盘单元位置、套齿连接结构单元位置。
[0013]
在确定了上述有限元模型以及各有限元模型参数后，利用转子动力学有限元法，编制有限元计算程序计算该模型，得到带套齿连接结构的转子系统的临界转速n
cr
。
[0014]
步骤2，确定套齿连接结构早期摩擦失稳故障特征频带：
[0015]
由于失稳发生时，套齿连接结构会发生一定的磨损，使得一阶临界转速相较于设计值会有所减小，因此定义套齿连接结构早期摩擦失稳故障特征频带略低于一阶临界转速n
cr
，磨损后的转子一阶临界转速变小幅度在5％以内，因此失稳故障特征为：
[0016]
[0.95n
cr
,n
cr
]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0017]
步骤3，采集带套齿连接结构的转子系统振动数据：
[0018]
对于所确定的带套齿连接结构的转子系统，采集加速过程中的振动数据。记录每刻的振动数据以及转速。
[0019]
因为带套齿转子系统失稳的失稳门槛转速在一阶临界转速以上，早期失稳作为故障的早期现象，需要提早检测。若全程进行测量，计算量较大，因此选取0.9n
cr
为指标，这样可以减少计算量。若当前转速大于等于0.9n
cr
则进行后续流程步骤，若当前转速小于0.9n
cr
，则继续拉升转速并继续采集转子系统振动数据。
[0020]
步骤4，采集套齿摩擦早期失稳故障特征频带振动信号：
[0021]
在步骤3中判定当前时刻转速大于0.9n
cr
后，采集并记录步骤3中所得的数据，然后
对采集到的数据按照每秒进行划分，选取每秒前若干个周期(如16个周期)的振动信号进行快速傅里叶变化，得到振动信号的频域成分，从中识别套齿摩擦早期失稳故障特征频带的信号，用于后续判断流程当中。
[0022]
步骤5，计算套齿摩擦早期失稳故障特征值：
[0023]
定义套齿摩擦早期失稳故障特征值为s
c
：
[0024][0025]
上式中ω为当下时刻转速，代表了套齿摩擦早期失稳故障特征频带中所有频率成分振动信号的幅值均方根值，e
[0.95ω,1.05ω]
代表了[0.95ω,1.05ω]这一频带中所有频率成分振动信号的幅值均方根值。
[0026]
步骤6，根据特征值判断是否发生套齿摩擦早期失稳故障：
[0027]
通过统计套齿摩擦早期失稳故障的实验结果，根据试验结果和工程经验，定义套齿摩擦早期失稳故障特征值临界推荐取0.25，通过对比步骤5计算得到的故障特征值与0.25的大小，来判断是否发生套齿摩擦早期失稳故障。若计算得到的s
c
小于0.25，则此时没有发生套齿摩擦早期失稳故障，返回到步骤3，此时可以继续拉升转速并继续采集转子系统振动数据。若计算得到的s
c
大于等于0.25，则此时出现套齿摩擦早期失稳故障，需要发出报警并拉停转子系统，并检查套齿齿面及定位面磨损情况。
[0028]
至此，完成了套齿摩擦早期失稳故障的识别。
[0029]
图3展示了本发明的具体流程示意图。
[0030]
本发明能够简单有效识别套齿摩擦早期失稳故障。本发明弥补了现有研究对套齿摩擦早期失稳故障识别的缺失，提出了套齿摩擦早期失稳故障的特征能量频带，提出了这一早期失稳故障辨别特征量以及辨识准则，并提出了套齿摩擦早期失稳故障的识别流程。
[0031]
本发明首先确定带套齿连接结构转子系统的临界转速，可以利用有限元法计算该转子系统的临界转速，确定套齿摩擦早期失稳故障特征频带。实际操作中，可以通过实验方法或者商业软件计算的方法得到转子系统的一阶临界转速。采集转子系统振动信号并采集转速，进一步判断转速是否略高于一阶临界转速，并采集特征频带内振动信号，计算套齿摩擦早期失稳故障特征值，并根据特征值来判断是否发生了套齿摩擦早期失稳故障。
[0032]
有益效果
[0033]
本发明关注在严重失稳故障发生前的早期故障并做提前预警，在早期失稳转变为严重失稳前就报警并拉停设备，可以有效避免由失稳故障带来的重大损失的发生。同时，本发明所提出的早期失稳故障辨识流程简单，运算量小，在当下主流计算平台下响应时间在毫秒级，响应迅速，完全可以拓展应用到机载设备上，具有较高的工程应用价值。
[0034]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0035]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0036]
图1为带套齿连接结构的转子早期摩擦失稳故障振动频谱图；
[0037]
图2为套齿摩擦早期失稳实验数据处理结果；
[0038]
图3为本发明的具体流程示意图；
[0039]
图4为实施例中设计实验器的具体有限元节点划分示意图。
具体实施方式
[0040]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0041]
本实施例是一种用于识别某型航空发动机带套齿转子套齿摩擦早期失稳故障识别方法，具体过程是：
[0042]
前提：确定带套齿连接结构的转子系统的初始结构特征：
[0043]
本实施例针对对象为对某涡轴发动机的动力涡轮轴，做几何相似及动力学相似设计后的带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器，所述需要确定的带套齿连接结构的转子系统的初始结构特征主要指其转子结构参数、套齿连接结构参数以及其他参数。
[0044]
所述的转子结构参数包括各个轴段的长度、半径、密度、弹性模量和泊松比，悬臂盘的质量、轴心转动惯量和直径转动惯量；确定的过程分别是：
[0045]
各个轴段的长度、半径通过带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器的工程图纸确定，各个轴段的密度、弹性模量和泊松比通过查阅《金属材料手册》确定。
[0046]
本实施例中，得到带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器的初始设计参数如表1所示。图4为本设计实验器具体节点划分示意图。
[0047]
表1带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器的轴段设计参数
[0048]
[0049][0050]
所述悬臂盘的质量、轴心转动惯量和直径转动惯量通过计算确定，具体步骤如下：
[0051]
根据悬臂盘的设计图纸，确定该盘的几何尺寸，包括圆盘半径r、圆盘厚度h以及悬臂盘的材料。
[0052]
通过查阅《金属材料手册》确定悬臂盘的密度ρ。
[0053]
通过式(3)得到悬臂盘的质量m。通过式(4)得到悬臂盘的轴心转动惯量i
p
。通过式(5)得到悬臂盘的直径转动惯量i
d
。
[0054]
m＝ρπr2h
ꢀꢀꢀ
(3)
[0055][0056][0057]
式中r为悬臂盘半径，h为悬臂盘厚度。
[0058]
本实施例中得到的悬臂盘的质量、轴心转动惯量以及直径转动惯量如表2所示。
[0059]
表2带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器的悬臂盘参数
[0060][0061]
实施例所使用的套齿结构的设计参数通过带套齿连接结构的小型单盘悬臂转子实验器的工程图纸以及套齿参数确定。带套齿连接结构转子系统的其他参数指转子系统的工作转速范围。通过查阅《航空发动机设计手册》来选取发动机转子系统的工作转速范围。
[0062]
本实施例中确定的转子系统工作转速范围为ω∈(0r/min，5500r/min)。
[0063]
步骤1，计算带套齿连接结构的转子系统的临界转速：
[0064]
根据本实施例所确定的带套齿连接结构的转子系统的转子结构参数，将该系统结构简化为有限元模型。
[0065]
本实施例中将所确定的带套齿连接结构的转子系统结构简化为有限元模型的过程为：将转子轴简化为转子轴梁单元、将悬臂盘简化为刚性悬臂圆盘单元、将动力涡轮后滚子轴承简化为动力涡轮后滚子轴承单元、将套齿连接结构简化为套齿单元。有限元模型参数由步骤1中确定的结构参数给定。
[0066]
在确定了上述有限元模型以及各有限元模型参数后，利用转子动力学有限元法，编制有限元计算程序计算该模型，得到本实施例中带套齿连接结构的转子系统的各阶临界转速如表3所示。
[0067]
表3临界转速分布
[0068][0069]
步骤2，确定套齿摩擦早期失稳故障特征频带：
[0070]
由公式(1)定义的套齿摩擦早期失稳故障特征频带为[0.95n
cr
,n
cr
]，式中n
cr
为该转子系统的一阶临界转速。根据步骤2中确定的临界转速，可以确定本实施例中套齿摩擦早期失稳故障特征频带为[1886.7r/min,1986r/min]，即[31.4hz，33.1hz]。
[0071]
步骤3，采集带套齿连接结构的转子系统振动数据样本：
[0072]
在本实施例中，转子系统通过法兰盘与电机柔性连接，变频器控制电机转速驱动转子系统。在实验过程中，由两支振动位移传感器采集悬臂盘水平及竖直方向的振动信号，有一支光电传感器采集转子系统实时转速。控制变频器使得转子系统从300rpm开始不断加速，并采集加速过程中的振动数据，记录每一时刻的振动信号以及转速信号。
[0073]
现有研究表明，带套齿转子系统失稳的失稳门槛转速在一阶临界转速n
cr
之上，为了提早监测早期失稳故障，定义0.9n
cr
为一判断指标。本实施例实验过程中，实时判断采集到的转子系统的转速信号，若当下转速大于0.9n
cr
则进行后续流程步骤，若当前转速小于0.9n
cr
，则继续拉升转速并继续采集转子系统振动数据。
[0074]
步骤4，采集套齿摩擦早期失稳故障特征频带振动信号：
[0075]
本实施例中，在当下转速达到所定义的0.9n
cr
之后，采集并记录步骤2中所确定的套齿摩擦早期失稳故障特征频带中的信号[31.4hz，33.1hz]用于后续判断流程当中。
[0076]
步骤5，计算套齿摩擦早期失稳故障特征值：
[0077]
定义套齿摩擦早期失稳故障特征值为s
c
，且式中ω为当下时刻转速，代表了套齿摩擦早期失稳故障特征频带中所有频率成分振动信号的幅值均方根值，e
[0
.
95ω,1.05ω]
代表了[0.95ω,1.05ω]这一频带中所有频率成分振动信号的幅值均方根值。
[0078]
步骤6，根据特征值判断是否发生套齿摩擦早期失稳故障：
[0079]
定义套齿摩擦早期失稳故障特征值临界为0.25，通过对比步骤5计算得到的故障特征值与0.25的大小，来判断是否发生套齿摩擦早期失稳故障。若计算得到的s
c
小于0.25，则此时没有发生套齿摩擦早期失稳故障，返回到步骤4，此时可以继续拉升转速并继续采集转子系统振动数据。若计算得到的s
c
大于0.25，则此时出现套齿摩擦早期失稳故障，需要发出报警并拉停转子系统，并检查套齿齿面及定位面磨损情况。
[0080]
根据统计实验结果，确定失稳频带范围为[0.95n
cr
,n
cr
]，确定失稳故障特征值临界为0.25。实验结果统计如下表：
[0081]
编号失稳频率失稳频率与临界转速比值失稳故障特征值132.8hz98.8％2.06231.6hz95.2％0.46332.2hz97.6％1.88431.9hz96.1％0.36
[0082]
套齿摩擦早期失稳实验数据处理结果见附图2。
[0083]
在本实施例中，转子系统不断拉升转速，并实时计算当下时刻故障特征值。发现在转子系统转速拉升到4043r/min时，此时计算得到的故障特征s
c
＝0.46，大于0.25，判断发生了套齿摩擦早期失稳故障，报警并及时拉停转子系统，拉停后检查套齿连接结构磨损情况。检查后发现符合早期失稳的故障特征，说明本发明方法可以有效检测判断出套齿摩擦早期失稳故障，可以避免由早期失稳转变为严重失稳所带来的危害。
[0084]
至此，完成了本发明所提出的套齿摩擦早期失稳故障识别方法的全部流程。
[0085]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。