一种军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置的制作方法

1.本发明涉及一种军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置，通过对航空发动机振动信号、转速信号和滑油金属磨粒信号的采集、处理，提取航空发动机机械系统的振动特征和滑油金属磨粒特征，对航空发动机机械系统整体运行状态进行在线监测和失效预警，关于本技术的“一种军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置”的具体使用方法，可参见本技术人另案申请的《一种服役环境下航空发动机主轴承故障演化监测新方法》、“《一种服役环境下航空发动机主轴承故障特征频率提取方法》等发明专利，本装置在实现功能上有较大扩展，因此并不限于这些方法。


背景技术：

2.涡扇发动机是现代战斗机和大型运输机的核心系统，为飞机飞行提供动力，其好坏对飞机可靠性等有直接影响。航空发动机机械系统各部件工作在高温、高压、高转速等恶劣工况环境下，其安全性和可靠性要求极高。由于航空发动机结构复杂，机械部件众多，一旦发生故障易导致严重的飞行事故。
3.限于国内设计制造水平限制，发动机的主轴承、传动链齿轮轴承等故障多发，但现有机载监控技术主要通过采集航空发动机振动、或转速、或滑油金属磨粒导通信号来进行单一参数的诊断，传感器多数采用磁电式振动速度传感器信号，工作频响低(不高于500hz)，且仅采集发动机整机振动烈度的机载振动速度rms值，无法用于机械系统的故障诊断、定位和大时间提前量的失效预警；通过滑油屑末信号器是否导通，间接判断是否有传动润滑部件故障，但由于颗粒沉积和磨粒在滑油润滑系统运输效率和捕获效率低等因素影响，滑油屑末信号器经常误报警，用于早期故障诊断效果不佳，更无法做到大提前量的失效预警。
4.本发明提出的发动机机械系统机载健康诊断装置综合运用数字控制器发送的飞机飞行参数和发动机工作状态参数等，通过利用发动机机载安装的压电振动加速度传感器、转速传感器和感应式全流域滑油金属磨粒传感器等收集航空发动机的各类运行数据，实时获取航空发动机机械系统的健康状况，进行故障检测、融合诊断和大提前量失效预警，从而可提高战斗机战训飞行的安全性。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置，通过对振动、转速和滑油金属磨粒信号的采集、处理和综合，可实现对航空发动机机械系统运行状况的快速检测、故障诊断与大提前量失效预警，为航空发动机使用安全保驾护航。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.(1)航空发动机机载振动和转速信号采集处理和健康特征导出
7.对不限于中介机匣和涡轮后机匣机载安装的压电式振动信号(采用差分电荷式压电振动加速度传感器，灵敏度典型值可为20pc/g、50pc/g，传感器谐振频率典型值不低于
35khz)和2路磁电式转速信号进行同步采集和处理，获取到振动信号和转速信号的原始值，并通过机载实时计算，提取转子轴、主轴承和传动机匣的时域、频域振动健康特征信息。
8.(2)航空发动机滑油金属磨粒信号采集处理和健康特征导出
9.为发动机机载安装的一路或多路滑油金属磨粒传感器提供激励，并对滑油金属磨粒传感器的反馈信号进行处理，获取到滑油金属磨粒信号的原始值，并根据波形相位和幅值识别算法计算铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒的等效球直径，按照大小进行分类计数，提取铁磁性和非铁磁性金属颗粒的累计数、等效球直径、颗粒生成速率等滑油金属磨粒特征信息。
10.(3)航空发动机机械系统多源特征故障检测、融合诊断和大提前量失效预警
11.对采集到的航空发动机振动特征和滑油金属磨粒特征进行时间对准，在满足特定条件下，对导出的健康特征进行故障特征级融合检测和决策级融合诊断，对发动机机械系统进行状态监测和失效预警，并将振动、转速和滑油金属磨粒导出特征、事件记录数据和原始信号进行上传和分区存储，为地面系统开展详细分析提供数据支撑。
12.本发明具有以下有益效果：
13.(1)本发明提供的航空发动机机载健康诊断装置，通过对发动机高低压转子2路转速，以及不限于发动机中介机匣、涡轮后机匣等位置垂直方向机载安装的振动加速度传感器信号；不限于滑油箱供油路(油滤前)、中轴承腔回油路、后轴承腔回油路和总回油路等1处或多处机载安装的滑油金属磨粒反馈信号进行同步采集和处理；可实现对发动机机械系统主要转动、传动部件的实时状态监测。
14.(2)本发明提供的振动、转速信息采集方式，能在航空发动机运行时，同步对振动、转速信号进行高速高精度采样，并实时给出发动机机械系统的时域频域振动导出特征，可丰富航空发动机振动健康特征信息，可覆盖发动机转子轴、主轴承、中央传动齿轮和支承轴承、发附机匣传动齿轮和支承轴承，并提高振动状态监测的实时性和覆盖完整性。
15.(3)本发明提供的滑油金属磨粒信息采集方式，可与振动、转速信息采集同步，对传动润滑系统当中摩擦副产生的铁磁性和非铁磁性金属磨粒等效球直径、总累计颗粒数、颗粒生成速率等参数进行同步统计，可覆盖主轴承、传动齿轮和支承轴承等滑油润滑部件，获取传动润滑部件摩擦副的磨损摩擦健康状况信息，用于在机械系统部件故障发生时进行多源信息的同步核验，提高故障诊断的准确性和可靠性。
16.(4)本发明提供的军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置，综合利用压电振动加速度传感器工作频带宽、灵敏度高、可靠性高等的特点，导出发动机振动时域、频域多种类型的振动健康特征，利用电磁感应型全流域滑油金属磨粒新型传感器，导出滑油金属颗粒的多种健康特征，与目前在用的振动总量超限检测或滑油屑末导通信号报故方式相比，导出的健康特征类型丰富、可量化、可趋势，再通过约束飞机和发动机工作条件，减少飞行姿态、机动载荷和发动机过渡态等对机载处理算法的影响，可有效降低目前基于机载振动总量诊断方法或者滑油金属磨粒信号器导通导致的发动机虚警或漏警问题，且通过多种传感器特征级和决策级的融合诊断，使得诊断和失效预警结果更加可靠。
附图说明
17.图1军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置接口功能框图
18.图2军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置内部组成功能框图
19.图3振动处理模块功能框图
20.图3-1发动机轴健康状态参数计算框图
21.图3-2发动机主轴承健康状态参数计算框图
22.图3-3发动机中央齿轮箱、发附机匣齿轮轴承健康状态参数计算框图
23.图4滑油金属磨粒处理模块功能框图
24.图5中央处理模块与其他模块关系框图
25.图6中央处理模块故障检测、融合诊断和失效预警逻辑框图
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明的技术特点，对本发明所提到的技术细节结合附图加以说明。
27.军用涡扇发动机机械系统机载健康诊断装置，由飞机或发动机提供1路28v直流电源供电，能够高速同步处理2路转速信号、多路(2～3路)振动加速度传感器信号和多路(1路～3路)全流域感应式滑油金属磨粒传感器信号，并为滑油金属磨粒传感器提供激励。并通过以太网将采集到的振动信号、转速信号和滑油金属磨粒信号原始数据发送到地面维护计算机，并将处理后的诊断数据通过rs422串口发动到地面维护计算机，见图1。
28.航空发动机健康诊断装置在内部功能上由3个模块构成，分别是振动、转速处理模块、滑油金属磨粒处理模块和中央处理模块，分别进行振动和转速处理、滑油金属磨粒处理和诊断数据综合，中央处理模块通过内部总线获取振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块的数据，并对两个模块进行同步，见图2。
29.振动、转速处理模块对2路转速和2路振动信号进行采集和处理，见图3。通过电荷积分电路，将2路压电式电荷振动信号根据传感器的灵敏度(典型值如20pc/g、50pc/g)和量程(典型值如500g)通过电荷积分电路合理确定放大增益(典型值分别对应为1、0.4)，将机载安装的压电差分式振动加速度电荷信号转化为抗干扰能力强的毫伏值电压信号，并通过六阶低通滤波电路和四阶高通滤波电路，对振动信号进行选频，带宽为0.2～40khz，滤除高频噪声干扰并保留必要的主轴承、传动齿轮轴承等的高频振动信号成分，然后通过电平转换后，通过24位ad进行模数转换，采样率为100khz。转换后的振动数据，通过fpga进行缓存。
30.2路转速信号经过过压保护后，通过整形电路，转化为0/3.3v电平信号，并通过fpga进行计算，获取实时转速值。同时，过压保护后的转速信号，经电平转换后，与振动信号一起，通过24位ad进行模数转换，采样率为100khz。转换后的振动数据，也通过fpga进行缓存。
31.振动、转速处理模块有单独的运算单元，包括cpu最小系统和fpga最小系统，cpu与fpga通过内部总线进行通讯，同步获取振动信号和转速信号，如图3所示。由单独运算单元计算下述振动健康状态参数：
32.发动机转子轴振动健康状态参数导出：利用中介机匣安装的振动加速度传感器信号，计算得到不限于整机振动rms值，高低压转子频率分量1倍频so1、2倍频so2、3倍频so3，再分别将中介机匣安装的振动加速度传感器信号对高低压转子转速信号进行同步平均，分别计算得到不限于同步平均后的整机振动rms值，同步高低压转子频率分量1倍频so1、2倍
频so2、3倍频so3，详见图3-1。
33.发动机主轴承振动健康状态参数导出：利用发动机主轴承几何参数，计算10-10khz宽频内不限于主轴承内圈、外圈、滚动体和保持架特征频率及幅值等特征；利用发明人提出的轴承弱随机信号特征频率分离方法(参见发明人另案申请《一种服役环境下航空发动机主轴承故障特征频率提取方法》)，对振动传感器信号进行预处理，滤除高低压转子转频及谐波、叶片通过频率及谐波、齿轮啮合频率及谐波等确定性频率成分，计算窄带小波频带包络信号，提取不限于rms、峭度、以及发明人提出的主轴承故障弱冲击信号小波频带迁移能量等时域特征(参见发明人另案申请《一种服役环境下航空发动机主轴承故障演化监测新方法》)的一种或几种；在包络谱上提取不限于内圈、外圈、滚动体和保持架特征频率及幅值等频域特征，详见图3-2；当然，本专利的“轴承弱信号特征频率分离方法”及“主轴承故障弱冲击信号小波频带迁移能量等时域特征”并不限于上述的发明人另案申请的技术方案，采用其余类似信号处理方法也能基本达到相同目的，差别仅在于故障检出率会差些。
34.中央齿轮箱和发附机匣齿轮和轴承健康状态参数导出：利用同步采集的振动和转速信号，针对传动齿轮对，基于中央齿轮箱和附件机匣的传动关系确定各齿轮轴输入转速信号，对中介机匣或发附机匣机载安装的振动测点信号进行时间同步平均，计算得到中央齿轮箱、附件机匣各齿轮对啮合频率及其幅值等频域特征，提取时域敏感特征；针对齿轮轴支承轴承，基于对应齿轮轴转速信号和振动测点信号，利用发明人提出的轴承弱随机信号特征频率分离方法(同上，可以参考，但不限于发明人另案申请《一种服役环境下航空发动机主轴承故障特征频率提取方法》的技术方案)，滤除齿轮啮合频率、齿轮轴转速等确定性频率成分，在包络谱上提取不限于内圈、外圈、滚动体和保持架特征频率及幅值等频域敏感特征，在时域上提取其窄带包络信号的时域和频带包络能量特征，详见图3-3。
35.将上述振动健康特征参数，发送至中央处理模块。同时，将采集到的振动和转速原始数据，也通过内部总线发送给中央处理模块。
36.滑油金属磨粒处理模块为3路滑油金属磨粒传感器提供激励，并对3路滑油金属磨粒反馈信号进行采集和处理。fpga为激励电路和正交解调电路提供激励源和解调基准，基准频率为107khz，波形为0/3.3v方波。激励源通过激励整形和激励驱动后给滑油金属磨粒传感器提供激励，生成频率为107khz，幅值为
±
30v的正弦激励信号。
37.滑油金属磨粒反馈信号通过跟随放大电路进行阻抗匹配和初级放大，放大倍数为10倍。再通过带通滤波电路进行降噪处理，带通滤波电路中央频率为107khz，品质因数为0.5。正交解调电路对滑油金属磨粒反馈信号进行解调处理，解调相位由fpga设定。自动放大调零电路，一方面将直流偏置自动去除，一方面对解调后的滑油金属磨粒双边脉冲信号进行放大处理。最后，再通过16位ad进行模数转换，采样率为20khz。转换后的滑油金属磨粒数据，通过fpga进行缓存。
38.滑油金属磨粒处理模块也有单独的运算单元，包括cpu最小系统和fpga最小系统，cpu与fpga通过内部总线进行通讯获取滑油金属磨粒数据，获取滑油金属磨粒电磁感应信号波形，然后根据滑油金属磨粒波形特征，对铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒进行分类统计，得到不同尺寸范围内的铁磁性和非铁磁性金属磨粒累计个数、等效质量，以及磨粒生成速率等敏感特征统计值，并将统计值发送给中央处理模块；同时，将采集到的滑油金属磨粒原始波形数据，通过内部总线发送给中央处理模块。同时，采集到的滑油金属磨粒原始
数据，也通过内部总线发送给中央处理模块。见图4。
39.中央处理模块通过同步控制硬线，对振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行同步控制。通过并行总线与振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行通讯，分别获取到振动、转速原始数据和滑油金属磨粒原始数据，并通过千兆以太网，将原始数据发动给地面维护计算机。同时，通过串行总线与振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行通讯，分别获取航空发动机振动、转速信息和滑油金属磨粒信息，然后通过数据融合算法，进行发动机故障诊断，诊断结果通过rs422窗口发动给地面维护计算机，见图5。
40.由中央处理模块对振动转速处理模块、滑油金属磨粒处理模块导出的健康特征进行时间对准、故障检测、融合诊断和失效预警，并对导出特征/事件记录数据、原始记录数据进行分区存储。
41.通过同步控制硬线，对振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行同步控制；通过串行总线，获取发动机数控系统传来的飞机高度、速度、马赫数、飞行姿态和过载等飞行参数，以及发动机油门杆角度、转子转速和涡轮后排气温度等发动机参数，通过计算发动机数控系统传来的高度、速度的变化率，并结合飞机三向角速度、三向过载等参数进行综合判断；通过计算发动机数控系统传来的发动机油门杆角度、转子转速和涡轮后排气温度的变化率等综合判断“飞机平飞、发动机稳态”条件是否成立。
42.通过串行总线与振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行通讯，分别获取航空发动机振动和滑油金属磨粒导出特征，进行时间对准并在常规存储区连续保存，当满足“飞机平飞、发动机稳态”条件时，执行故障检测、融合诊断和失效预警逻辑，故障检测按照各参数设定的检测阈值进行故障检测，当检测到转子轴健康参数超过阈值时，向座舱发出告警信号，对主轴承、中央齿轮箱轴承齿轮、附件机匣轴承齿轮分别进行故障检测、振动特征级融合故障诊断，为降低虚警影响，将振动故障诊断结果与滑油金属磨粒结果进行决策级融合诊断和失效预警，并向座舱发送告警信号，见图6。当检测到故障或即将发生的失效事件时，在常规存储区保存事件发生前后给定秒数的原始数据并打上时间标签。通过并行总线与振动、转速处理模块和滑油金属磨粒处理模块进行通讯，分别获取连续记录的振动、转速原始数据和滑油金属磨粒原始数据，并保存至大容量存储区，在飞行后通过千兆以太网，将原始数据发送给地面维护计算机进行详细诊断。
43.最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。