基于ITD-LE指标的航空发动机中介轴承复合故障识别

为了基于航空发动机整机机匣振动信号实现中介轴承复合故障的有效识别,从信号的复杂性角度出发,利用图谱中的拉普拉斯能量(Laplace Energy, LE)指标对信号的复杂性进行描述,提出了将固有时间尺度分解(Intrinsic Time Scale Decomposition, ITD)与LE指标相结合的故障诊断方法。为实现复合故障的有效分离,基于ITD算法对某型航空发动机整机机匣振动加速度信号进行分解,并对分解后获得的固有旋转分量(Proper Rotation Components, PRCs)基于奇异值差分谱进行降噪。然后利用LE指标对分量信号进行筛选,对筛选后的信号进行重构,最后根据重构信号的平方解调谱,对实际航空发动机中介轴承的复合故障进行识别。结果表明:所提出的方法,可以基于航空发动机的整机机匣振动信号,准确有效地提取出中介轴承复合故障的特征频率,实现中介轴承复合故障类型的有效识别。

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承。中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少。本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型。本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较。在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系。研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大。

航空发动机中介轴承的特性分析

针对内外圈同向旋转和内外圈反向旋转的两种航空发动机圆柱滚子中介轴承,应用拟静力学法对其进行了分析,讨论了它们的保持架转速与滚子自转转速随径向载荷变化的规律,并且比较了二者在各自的工作方式下的工作特性.由特性对比可知,在内外圈反向旋转,内圈转速大于外圈转速的工作方式下,中介轴承具有较低的打滑率,较高的疲劳寿命,并且有利于密封和转子的振动稳定性;在内外圈同向旋转,内圈转速小于外圈转速的工作方式下,中介轴承受载区滚子自转转速较低,有利于提高滚子的使用寿命.

中介轴承波纹度对双转子系统动力学特性的影响

针对航空发动机双转子系统,根据转子动力学理论和拉格朗日方程建立中介轴承-双转子系统模型,采用数值仿真方法获得系统动力学特性,借助时变刚度曲线、幅频响应曲线、三维瀑布图、分岔图以及庞加莱截面图等,对比分析了理想中介轴承-双转子系统和考虑波纹度的中介轴承-双转子系统的时变刚度特性、中介轴承力、主共振、频谱特征以及分岔与混沌特性。结果表明,中介轴承波纹度使双转子系统运动状态更加复杂,尤其在较低转速下,波纹度会对双转子系统的动力学特性产生显著影响。

有局部缺陷的滚动体中介轴承动力学建模及仿真研究

在考虑径向间隙及滚动体缺陷通过内、外圈时接触变形量发生变化基础上,建立两种支承形式下滚动体含单一故障缺陷的中介轴承动力学模型。对比研究不同支承形式及内、外圈不同旋转方向对中介轴承振动影响。结果表明,采用内圈支承于高压转子、外圈支承于低压转子结构振幅大于内圈支承于低压转子、外圈支承于高压转子结构;内、外圈同向旋转振幅大于反向旋转;内、外圈反向旋转冲击振幅小不利于发现故障,反向旋转时缺陷冲击滚道频繁,同等运行条件下,反向旋转中介轴承潜在危险更大;保持架旋转频率为中介轴承振动信号的主要调制频率,且内、外圈反向旋转较同向旋转调制效果更强烈。

航空发动机中介轴承局部故障边带差值诊断法

针对航空发动机中介轴承局部故障难以诊断的问题,提出了航空发动机中介轴承局部故障边带差值诊断法。该方法利用中介轴承内外环均旋转的运转特点,将其故障振动信号的调制边频带分量作为故障信息,建立了一套完整的故障诊断步骤,在实验器上对具有外环剥落故障的某型中介轴承进行实验,准确判断了该轴承故障。理论分析和诊断实例表明,该方法可以识别中介轴承局部故障,是一种适合航空发动机中介轴承局部故障诊断的有效方法。

考虑中介轴承弹流润滑时双转子系统振动特性

为研究中介轴承在弹流润滑作用时双转子系统的非线性振动特性,针对航空发动机双转子系统,根据弹流润滑理论和转子动力学理论,建立中介轴承弹流润滑接触模型和中介轴承-双转子系统模型.采用数值仿真方法获得系统动力学特性,对比分析了考虑弹流润滑作用和忽略弹流润滑作用两种工况下,双转子系统的幅频响应特征,并比较了中介轴承赫兹接触刚度、径向游隙以及润滑油黏度对系统特性的影响.结果表明:中介轴承弹流润滑作用对高压转子和低压转子一阶共振峰附近的振幅及共振峰位置影响较小,对高转速区间的共振峰影响较大,使共振峰右移并且共振峰处振幅减小;分别改变中介轴承赫兹接触刚度和径向游隙,考虑弹流润滑作用与不考虑弹流润滑作用相比,一阶共振峰处振幅改变小于5%,在二阶共振峰处振幅改变百分数在4%~9%之间;一阶共振峰位置未发生偏移,二阶共振峰向高频移动2%~8%;改变润滑油黏度,对低压转子和高压转子振动幅值影响小于1%.最后利用气体驱动双转子实验台对仿真结果进行验证.

基于拟动力学方法的反转圆柱滚子轴承动力学特性研究

反转圆柱滚子轴承的性能直接影响着航空发动机工作的稳定性与可靠性。为了研究反转圆柱滚子轴承动力学特性,基于弹性流体动力润滑和流体动压润滑等理论,采用拟动力学分析方法,建立了反转圆柱滚子轴承动力学计算模型。利用该计算模型对滚子打滑率进行了验证计算,随着径向载荷的增加,计算值由7%减小至2%,与实验值吻合较好。同时,对反转圆柱滚子轴承动力学进行计算分析,研究了动态运转中轴承的载荷和速度分布,以及不同工作状态对轴承打滑率的影响。研究表明,倒装时反转圆柱滚子轴承承载区滚子受载比顺装更均匀,但非承载区滚子及保持架打滑率比顺装更严重。

航空发动机中介轴承试验器的研制

为了开展航空轴承的寿命基础研究,研制了航空发动机中介轴承试验器。该试验器具有温度、转速、载荷等参数谱线自动控制运行和试验自动报警的特点及功能。介绍了试验器的构成和性能,并对其高速试验性能进行了验证,结果表明:该试验器满足航空中介轴承苛刻工况下的试验要求,实现了试验运行自动控制、过程参数实时监测存储,可以作为航空中介轴承基础试验研究平台。

内圈带缺陷中介轴承的动力学建模与振动响应分析

针对外圈支承于低压转子轴颈,内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承,在考虑轴承径向间隙变化和滚动体通过内圈缺陷时接触变形量发生变化的基础上,建立了内圈含单一故障缺陷的中介轴承动力学模型。数值仿真研究了轴承振动响应的有量纲参数和无量纲参数随缺陷大小,内、外圈转速和径向外载荷变化的规律,得出了若干有益结论,为中介轴承故障诊断提供了有益参考。

基于EMD熵特征融合的中介轴承故障特征提取方法

针对无法利用一种熵特征能完整提取中介轴承故障时频特征的问题,根据信息熵融合理论,选取非线性动力学参数熵作为特征,提出了基于EMD熵特征融合的中介轴承故障特征提取方法。首先,通过实验台模拟航空发动机中介轴承的工作环境,对不同故障类型的轴承进行大量实验,采集其声发射信号,利用EMD分解声发射信号为窄带的IMF分量,提取EMD熵特征;然后,利用KPCA对提取的熵特征进行融合降维,得到更能代表轴承故障的互补特征;最后,融合的特征通过SVM进行模式识别。实验结果与分析验证了本文方法可以很好的提取中介轴承的故障特征。

某型航空发动机中介主轴承早期微弱故障诊断研究

针对基于机匣采集的振动信号难以有效提取出航空发动机中介主轴承早期微弱故障特征的问题,提出了基于巴特沃斯低通滤波器降噪和Hilbert包络解调的中介主轴承早期微弱故障诊断方法。该方法依托带涡轮支承和外机匣的新型航空发动机中介主轴承试验器,首先,开展某型发动机巡航状态下健康中介主轴承试验,获取基准振动频谱特征;然后,进行外圈剥落预置故障的轴承试验,对采集的振动信号通过低通滤波降噪并进行Hilbert包络分析解调出低频故障信号;最后,对比分析健康主轴承试验与轴承故障试验的时域波形、频谱和包络谱。结果表明,包络谱中转差信号与呈现“山”型边带特征,可用于诊断该型航空发动机中介主轴承外圈的早期剥落故障。

双转子系统联轴器不对中振动响应分析

针对双转子系统不对中普遍存在,影响系统振动特性的问题,对内转子含有联轴器不对中的双转子系统进行了动力学仿真及振动分析。以某型航空发动机双转子系统为对象,通过施加不对中引发的附加载荷,建立双转子系统联轴器不对中动力学有限元模型。对比分析了特定工况下转子系统随不对中量增加,内外转子振动的频谱特征及轴心轨迹的变化规律。结果表明:内转子联轴器不对中振动特性可通过中介轴承传递到外转子,外转子支撑位置及中介轴承对应位置均可监测到内转子联轴器不对中振动响应;一倍频对联轴器不对中故障不敏感,二倍频幅值随联轴器不对中量的增加而增加,且距离联轴器越近的支撑位置的不对中响应越敏感;轴心轨迹随联轴器不对中量的增加由"椭圆"形变为"内八字"形。

某型航空发动机轴间轴承集油结构内的两相流动数值计算

为了分析某型航空发动机轴间轴承集油结构集油效率不高的原因,采用基于VOF模型和滑移网格技术的多相流数值计算方法,建立轴承集油结构的油气两相流三维瞬态仿真模型,分析集油结构的流场和滑油分布,揭示集油结构内的滑油运动规律和集油损失的机制,并给出了滑油流量对集油效率的影响。结果表明:集油结构中形成对转流动以及涡环,集油损失的原因主要是由于滑油油柱冲击保持架壁面后飞溅形成的油滴颗粒被旋涡带入油坝与收集器之间的狭缝,进而被甩出到轴承腔,导致集油效率降低;集油结构的集油效率与滑油流量无关,仅取决于自身结构。所研究的集油结构的集油效率仅为62%,须改进集油结构,以提高其集油效率。

中介轴承内外圈同向和反向旋转振动分析

结合中介轴承故障特征公式,采用小波分析技术对内、外圈同向和反向旋转的中介轴承进行特征提取,通过对某型双转子航空发动机机匣的振动信号进行分析,验证该方法的有效性。

多分量同步提取变换驱动的无键相状态下中介轴承故障诊断

中介轴承是航空发动机的易发故障部位,在弹性支承、薄壁机匣等复杂结构影响下,机匣测得振动信号中的中介轴承故障特征极其微弱,并且因设备长期处于频繁变工况状态,缺少与振动信号完全同步、精确的高低压转速信号作为参考,振动信号的非线性时变特征同样对中介轴承故障诊断干扰严重。针对上述问题,提出一种多分量同步提取变换驱动的无键相状态下中介轴承故障诊断方法,首先利用同步提取变换(Synchroextracting transform,SET)剔除时频图中的冗余时频能量,在同组低信噪比振动信号中提取出中介轴承的内外圈多分量转频成分;再对原始振动信号进行最小熵解卷积(Minimum entropy deconvolution,MED)和信息图来增强受传递路径和环境影响的微弱故障特征,MED在突出故障脉冲的同时优化了信息图中的谱负熵结果,最优共振解调频带选择也更为准确;最后以提取转频结果的差值作为故障增强后信号转差域的基准进行阶次跟踪并进行包络分析。仿真与试验分析结果表明,该方法可在无转速计测量下有效提取出中介轴承的故障特征阶次,实现对中介轴承的故障诊断,并且较典型信号处理方法具有明显优势。

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.

某型航空发动机中介轴承外环故障振动分析

根据某型双转子航空发动机的结构和动力学特点,设计建造了中介轴承实验器.实验中发现中介轴承的外环故障包络谱与内环故障和滚动体故障的包络谱相似,也受周向载荷不均匀分布和传感器相对位置周期性变化的影响.基于此,推导了中介轴承故障特征倍频公式,建立了中介轴承局部故障的理论模型,采用希尔伯特包络检波技术,对外环剥落轴承振动信号进行了分析,结果表明,所建立的中介轴承局部故障理论模型是正确的.

基于萤火虫优化的核自动编码器在中介轴承故障诊断中的应用

随着科技进步与工业规模的快速壮大,现代工业监测领域步入大数据时代,如何自动地从大规模原始信号中提取故障特征并诊断是一个重要课题。为了提高深度自动编码网络处理非线性问题的能力,提出一种基于核函数与去噪自动编码器(Denosingauto-encoder,DAE)的深度神经网络方法。采用径向基核函数改进传统的去噪自动编码器,提出核去噪自动编码器(Kernel denosing auto-encoder, KDAE);构建包含一个KDAE层与多个AE层的深度神经网络对故障特征进行层层提取,并添加softmax分类层;采用误差反向传播算法对网络参数进行微调,并采用混沌萤火虫算法优化核参数与深度网络中的待定参数,得到故障诊断模型。针对传统自动编码器泛化性较差的问题,在目标函数中添加L2惩罚项。通过航空发动机中介轴承典型故障试验数据,验证了所提方法与传统去噪自动编码网络相比能够得到更高的准确率。

带中介轴承的双转子系统振动耦合作用评估

为了评估中介轴承对双转子系统的振动耦合作用,从临界转速位置振型变化、临界转速变化、模态振型与稳态不平衡响应的应变能分布变化、中介轴承受力变化等多角度,阐释双转子耦合振动的表现形式和关联关系,提出了相应的评价指标或评估方法,并以典型燃气涡轮发动机双转子系统为对象,进行了分析评估。结果表明,单转子的模态振型可能在双转子模态振型中表现为3种形式,一一对应出现、重复出现或耦合出现,对应的临界转速及应变能分布也会随之产生相应的变化;中介轴承受力在临界转速位置出现峰值,而应变能分布变化最大的转速位置与系统临界转速位置不一致,同时还受不平衡激励位置影响;各单元应变能占比变化量随转速变化曲线可详细分析特定不平衡激励下系统应变能分布变化情况。所提方法可为双转子-中介轴承系统的设计、故障诊断提供参考。