航空发动机振动检测与诊断
航空发动机振动监测技术-教学PPT课件
三、振动监测系统的组成 振动监测系统：预处理、报警和结果输出、数据库、 数据采集、数据传输和通信及监测分析。 振动监测过程：振动测量、振动信号处理、故障特征 提取、状态识别。 振动监测系统的主要功能： 1、数据存储与显示。 2、系统的信号分析与处理 3、数据管理
1、振动测量: ①振点：传统做法是振点选择在外部机匣上， 新型发动机振点转移至内部转子支撑点。 ②参数：振动位移、振动速度、振动加速度。
控制附面层分离的措施
1、分离点的位置靠后流动阻力小，而分离点位置与流动状态与物面形状有 关。改变物面形状，流线型光滑物面-----层流段延长。
2、若附面层分离不可避免时，还可通过增加边界层内的流体流 量，如吹气、吸气、前缘缝翼减小分离区域。
高尔夫球进化史
层流附面层更易分离，而湍流边界层不易分离，改变物面粗糙 度,分离点后移，尾迹变窄。
等进行测量
设备、传感器、测振仪
中使用广泛
3、航空发动机振动测量系统 1、振动传感器 电动式速度传感器，产生的电信号与振动速度呈正比 随技术更新已淘汰；压电加速度计根据压电效应设计， 电信号与振动加速度成正比。
2、振动测量分析仪 分析仪有四类： ① 最简单的振动测量分析仪 ② 专门设计的自动跟踪转速滤波技术的振动测量分析
仪 ③ 运用快速傅里叶变换技术的数字式振动信号分析仪。
国外发展较快。 ④ 机载发动机数字式振动监视仪，分析加速度计所测
的信号并生成及存储发动机振幅和相位的数据。波 音、空客、麦道均MICROTRAC的仪器。
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2、振动测量方法:
名称 电测法
机械法
原理
优缺点及应用
航空发动机振动故障诊断及预测方法研究
航空发动机振动故障诊断及预测方法研究随着民航产业的快速发展和航空业的普及，如何提高航空安全性、降低事故率成为了各方面关注的焦点。
与此同时，航空发动机振动故障也逐渐被重视起来。
本文将针对航空发动机振动故障的诊断和预测方法进行探讨。
一、航空发动机振动故障的种类和原因航空发动机振动故障大致分为四类：疲劳、失衡、机件松动、流体动力学。
其原因主要包括发动机零部件的磨损、使用过程中的自然老化、过度负荷、拖行、差错安装等因素。
而航空发动机振动故障的几种导致原因上述的因素都有可能起到作用。
同时，由于航空发动机的使用频繁、工作强度大，加之工作环境复杂，航空发动机振动故障难以避免。
二、航空发动机振动故障的诊断方法在遇到航空发动机振动故障的情况时，如何进行快速有效的诊断成为了需要解决的问题。
航空发动机振动故障的诊断方法大致可分为两类：非侵入式和侵入式。
1. 非侵入式诊断方法非侵入式诊断方法主要是利用飞行数据记录器（FDR）和数据采集系统（DAS），通过记录飞行数据来判断航空发动机的振动情况。
需要注意的是，这种方法通常是监测整个飞行过程中的振动情况，但难以解决隔离特定零部件的振动故障。
2. 侵入式诊断方法侵入式诊断方法主要是通过航空发动机的故障维修手册（FIM）进行故障诊断。
在此过程中，需要较高的技能水平和专业知识，对维修人员的职业素质也有较高要求。
这种方法的优点是可以准确地确定振动故障的具体原因，进而给出相应的处理措施。
三、航空发动机振动故障的预测方法除了对振动故障进行诊断之外，如何预测航空发动机可能出现的振动故障并及时处理也是解决问题的一种方法。
航空发动机振动故障的预测方法主要是基于振动信号数据，通过振动特征提取、信号分析和预测模型构建等方法来实现。
目前主要的预测方法有：小波包分析、时频分析、稳健性全局最优化、灰色预测模型、支持向量机预测模型等。
值得注意的是，虽然以上预测方法各具特色，并且在实际应用中均取得了一定的效果，但预测模型的建立需要考虑不同航空发动机的特性，并结合不同的振动故障种类进行精细化处理。
航空发动机整机振动测量和分析方法
航空发动机整机振动测量和分析方法刘兵【摘要】目前国内仍有很多航空发动机试车台使用的是模拟振动测量仪,滤波和积分选择均需针对机型专门定制,灵活性不够,同时也不能分析振动频率,满足不了发动机振动分析的要求;选择合适的振动传感器、振动测量仪并采用合适的软件分析方法,迅速准确地测量发动机的振动值并分析振动频率是发动机厂、所对发动机整机台架试验的要求;在发动机整机振动测量选择了压电式加速度传感器并使用带有抗混滤波的差分放大器以消除频率混叠和共模干扰,编写了专门的振动分析软件,在振动分析软件处理中采用Butterworth滤波器和Flat Top窗函数;该方法能够满足发动机生产厂提出的通带平滑度≤±5％,阻带衰减大于-30 dB/倍频程的滤波要求以及对振动测量精度≤±5％的要求;通过研究提出的航空发动机整机振动测量方法准确可靠,能够满足发动机厂、所对试车台架整机振动测量的要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2019(027)005【总页数】5页(P22-25,43)【关键词】航空发动机;整机振动;滤波器;窗函数【作者】刘兵【作者单位】中航工程集成设备有限公司,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】V216.80 引言航空发动机是一种结构复杂的高速旋转机械，旋转机械不可避免的会出现振动，而发动机的整机振动主要是转子不平衡引起的周期振动和发动机流道内气体流动、燃烧等原因引起的随机振动的复合，由于装配精度以及装配过程中动平衡的情况与发动机实际工况的差异，实际的发动机转子总是会存在一定的残余不平衡量。
发动机台架试车测量整机振动的目的是为了对发动机零部件加工、装配及转子动平衡的质量进行检验的一种手段。
目前国内仍有很多航空发动机试车台使用的是模拟振动测量仪，配套专门的振动传感器完成对发动机的振动测量，选择带有滤波和积分功能的振动信号放大器，滤波和积分选择均需针对机型专门定制，灵活性不够，同时也不能分析振动频率，满足不了发动机振动分析的要求。
飞机发动机转子振动特征提取方法诊断
的信息熵由下式给出
公式中，是10500转/分。
图1
图1示意图显示了发动机外壳上传感器布置的5个横截面位置。
如图1所示，在五个十字架上测量水平和垂直方向的套管振动部分。
表1给出了五个横截面上传感器的数量，位置和方向的说明。
表1五个横截面上的传感器位置和方向
横截面数量横截面位置描述测量点和方向的描述
第1-1节
第2-2节
第3-3节
第4-4节
第5-5节
在水平方向和垂直方向上的风机
通过中间的套管
通过在水平方向和垂直方向上的
低压涡轮
通过外部附件单元
通过齿轮减速器单元
2前缘的前轴承
2中点水平和垂直方向
2后点的轴承
2水平和垂直方向的外点
1的水平方向上点在发动机的钻机测试中，在不同的操作条件下测量振
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作者简介:尚坤（1993-），男，河南郑州人，
熵计算结果的一个例子。
143.12158.93157.81167.70170.31161.03
（a）IMF分量从1到4（b）IMF分量从5到8
图2正常发动机的EMD分析结果
（a）IMF分量从1到4（b）IMF分量从5到8
图3故障发动机的EMD分析结果。
航空发动机振动信号分析与诊断
航空发动机振动信号分析与诊断航空发动机的振动信号分析与诊断航空发动机是现代航空运输的核心组成部分，其性能的可靠性和稳定性是保障航空安全的重要因素。
然而，由于航空发动机作业环境恶劣，长期高速运转、受到飞行器载荷的变化等因素，使得航空发动机易受到各种机械损伤或性能下降的影响，使得发动机出现振动的情况，进而影响整个飞行的安全。
因此，对航空发动机振动信号进行分析与诊断显得尤为重要。
航空发动机振动的信号分析航空发动机的振动信号是指发动机在运转过程中产生的其各个零部件振动所产生的信号。
航空发动机振动的信号分析可以帮助工程师了解设备在工作过程中的状态，及时发现潜在的问题，并做出相应的调整和维护，从而保障飞行的安全。
目前，航空发动机的振动信号主要是通过传感器或其他技术手段进行测量、声学信号的采集和处理等步骤来完成。
该信号的采集和处理在技术层面上是非常成熟的，并且有一系列的工具和资源可以用来分析这种信号。
对于航空发动机振动信号的分析，工程师们需要结合实际需要，采用一系列的技术手段和工具进行有效的分析。
其中，有以下几个方面值得探讨：1.信号的频谱分析频谱分析是航空发动机振动信号分析的基础。
在信号的频域中，工程师们可以看到不同频率的信号和其幅值的关系，并进一步将其转化成对应的图表和带通滤波器等等。
2.信号的时域分析时域分析利用时域分析方法，通过分析原始信号的波形来确定信号的特性和处理方法，包括平均值和根均方值等等。
这种信号分析方法主要是基于傅里叶变换的算法。
这种算法可以将复杂的信号频谱分解成一连串的正弦和余弦函数，这些函数会被合并在一起描述信号的特性和时域特性。
3.谱分析法谱分析法是一种通过自动处理大量噪声数据来减少运行中的误判率的技术方法。
利用此方法，通常可以快速识别出可能存在的机械故障，从而迅速采取一系列应对措施，以保障发动机的运行安全。
航空发动机振动的信号诊断航空发动机振动的信号分析结束之后，接下来的关键是通过诊断分析技术，确定出振动的原因，并做出相应的维护和更换。
振动信号分析与故障诊断
振动信号分析与故障诊断振动信号是在很多机械设备中常见的一个现象。
通过分析振动信号，可以获取各种设备的运行状态和性能指标，进而进行故障诊断和预测。
振动信号分析与故障诊断在工业生产中具有重要的应用价值。
振动信号分析是指对振动信号进行处理、提取特征，并进行分析和诊断。
振动信号携带了机械设备的运行状态信息，包含了频域、时域和幅值等多维度的数据。
通过对振动信号进行分析，可以获得设备的各种振动特征，如振动频率、振动幅值、振动模态等。
振动信号分析的方法包括频谱分析、时频分析、小波分析等。
其中，频谱分析是最为常用的方法之一。
频谱分析通过将时域的振动信号转化为频域信号，可以清晰地展示出不同频率分量所占的比例。
通过观察频谱图，可以得出关于故障频率或共振频率的信息。
振动信号的故障诊断是指通过分析振动信号的特征和变化，判断设备是否存在故障，并确定故障的类型和原因。
常见的故障类型包括轴承故障、齿轮故障、偏心故障等。
不同类型的故障在振动信号中表现出不同的特征，如频率的变化、幅值的异常等。
轴承故障是振动信号中常见的故障类型。
轴承故障通常表现为频谱中出现明显的多个高频峰。
通过分析这些高频峰的特点，可以确定轴承故障的类型，例如滚珠疲劳、滚道剥皮等。
另外，轴承故障还会引起振动信号的幅值增大和频率的变化。
齿轮故障是振动信号中另一常见的故障类型。
齿轮故障通常表现为频谱中出现特定的频率分量，称为齿轮特征频率。
通过分析这些特征频率的变化和幅值的异常，可以判断齿轮故障的类型，如齿面磨损、齿根断裂等。
振动信号分析与故障诊断的应用范围广泛。
在制造业中，振动信号分析可以用来监测和评估设备的性能和健康状况。
通过对振动信号进行实时监测和分析，可以及时发现设备的故障和异常，采取相应的维修和保养措施，避免因故障带来的生产停顿和损失。
在航空航天领域，振动信号分析与故障诊断可以应用于航空发动机、飞机结构和飞行控制系统等。
通过对振动信号进行监测和分析，可以判断航空设备的性能和可靠性，并提前做好维修和更换的准备，确保航空器的安全运行。
某型航空发动机振动值摆动故障诊断
振动 、 测试 与 诊 断
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＶｉｒ ｔ ｎ， ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ＆ Ｄｉｇ ｏ ｉ ｏ ｒ ａ ｂ ａ ｉ Ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｏ ａ ｎ ｓｓ
Ｖ ｏ ．３ ｏ．２ １ ２Ｎ Ａ ｐｒ ２ ． ０１２
某 型 航 空发 动机 振 动值 摆 动故 障诊 断
Ａ１＋ ２ Ａ１ ｃ ｓ （ １ ）＋ （１ ２］和 圆 ２ ＋２ Ａ２ｏ Ｌ ￣ 一 ｆ 一声）
频 为 专 的 动 号ｉ（ｌ 率 振 信 ｓ［１２＋ ｎ（Ｏ ＤＪ ７） － ２１ ． （ ） ］乘 成 ＋相组 。
关键词
航 空 发 动 机 ； 转 子 ； 振 ；摆 动 ； 号合 成 双 拍 信
Ｖ２ ５ ３
中 图分 类 号
压转 子 的振 动 ， 只能 通过 安装 在 机 匣上 的传感 器 间
引 言
在旋 转机 械 中 ， 拍振 现象 时有 出现 ｎ ， 般是 由 ］一
于系统 中一个 振源 的频率 接近 于另 一个振源 的频率 而引起 的［ ］ 某型 航空发 动机 在地 面试车 和飞行过 ２。
对 于 拍振 引 起 新［６ 杨 ４ ］ ｓ３ －采用 一种不 解“ ” 拍 直接 分离
ｚ２一 Ａ２Ｏ （ ２ Ｃ Ｓ ６ ｔ＋ ≯ ） ０ ２
（） ２
其 中 ： ， 。 别 为两个 振 动信 号 的 振 幅 ； ６ 分 分 ０ ０ ６ ，
对不同测点的振动信 号进 行了分析 ， 确定了拍振产生的原因和振源位置 。在此基础上 ， 对低 压转子振动、 高压转 子
振 动 及 附 件 传 动 轴 的 振 动 ３ 信 号 的合 成 规 律 进 行 了 仿 真 计 算 ， 出 了 该 型 航 空 发 动 机 振 动 值 摆 动 故 障 的排 除 方 个 提
基于振动信号的航空发动机故障诊断研究
图1 振动测点位置示意图=16384Hz，采样点时间间隔dt=1/f s=1/16384= 6.1×10-5s=0.061ms。
发生故障时高压13888r/min，此时高压转子旋转一圈的为16384×60/13888≈70.8个点，所1/13888×60≈4.3×10-3s=4.3ms；低4286r/min，此时低压转子旋转一圈的采16384×60/4286≈229.4个点，所需时1/4286×60≈1.4×10-2s=14ms。
2为故障时刻振动测点的时域波形细化图。
由图知：A时刻(6372.443726s)测点3出现波形即涡轮后机匣垂直测点异常；B时刻(6372.444336s)由图可知：在A时刻(6372.443726s)振动突增，高压基频幅值出现增大，低压基频振动幅值随后出现增大(6372.479126s),高低压基频突增时间相差约35.4ms 右。
因此，故障可以基本定位在高压转子。
高压基频幅值增大，可能原因有高压转子叶片丢失引起突加不平衡量、高压转静子碰摩、高压支撑刚度改变等因素。
图3 故障时刻测点3高低压转子基频幅值图2.3 振动突增与转速下降时刻对比发动机台架试车振动测试系统的转速求解一般采用正向求解方法，即通过计数单位时间内转速信号的波形个数正向求得，如图4（a）所示。
本文为得到更为精确的转速变化情况，采用逆向求解方法，如图4（b）所示，通过单个完整波形所用时间dt，反向推导出单位时间内波形个数n，n=1/dt。
在数据处理过程中应用到移动平均、重叠率等信号处理技术。
图5是高/低压转速下降与振动突增时刻先后图，由于故障时刻高/低压转速及转子传动系统的差异，低压转速每0.367ms计算出一个数据点，高压转速每0.214ms计算出一个数据点，振动值每0.031ms计算出一个数据点。
由图可知：A时刻（6372.443726s）测点图5 转速下降与振动突增时刻先后图轴承故障分析为判断发动机的故障是否造成涡轮后机匣附近高压转子支撑系统的轴承损坏，结合轴承信号的传递路径，针对发动机3号和4号轴承分别选取测点2（中介机匣水平）和测点3（涡轮后机匣垂直）的振动数据，提取轴承故障特征频率。
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转子系统常见故障机理分析
转子故障分类
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转子系统常见故障机理分析
► 监测参数
动态参数 振幅：表示振动的严重程度，可用位移、速 度或加速度表示 振动烈度：近年来国际上已统一使用振动烈 度作为描述机器振动状态的特征量
vrm s 1 2(A 12 12A 22 22A n2 n2)
相位：动态特性、故障特性及转子的动平衡 等具有重要意义
（ 2 ） 对 中不良时，在一个周期内为波峰翻倍 ，波形光滑、稳定、重复性好；
（ 3 ） 摩擦时，波峰多，波形毛糙、不稳定、 或有削波；
（ 4 ） 自激振荡（油膜涡动，旋转脱离）时， 波形杂乱、重复性差、波动性大。
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转子系统常见故障机理分析
频谱分析法
幅值谱及相位谱
幅值谱
正常运转状态下，一倍频最大，二倍频次之、 约小于一倍频的一半，三倍频、四倍频…x倍频逐 步参差递减，低频（即小于一倍频的成份）微量。
支承不对中（振动频率为 转子转速两倍）
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航空发动机的主要激振源
► 气动激振力 ► 轴承激振源
► 齿轮激振源
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转子系统常见故障机理分析
► 转子系统、转子振动与转子故障的关系
振动广泛存在。设备在动态下都会或多或少地 产生一定的振动。
振动监测具有有效性。当设备发生异常或故障 时，振动将会发生变化，一般表现为振幅加大。
转子系. 统模型
转子系统常见故障机理分析
转子系统分类 刚性转子系统——工作转速在（一阶）临界以
下的转子系统。目前大多数低速（工作频率<100Hz） 机械均属于刚性转子系统。
柔性转子系统——工作转速在（一阶）临界以 上的转子系统。例如一些大型高速（工作频率 >100Hz）旋转机械均属于柔性转子系统。
振动具有可识别性。由不同类型、性质、原因 和部位产生的故障所激发的振动具有不同的特 征。
振动识别具有复杂性。振动信号性质、特征不 仅与故障有关，而且还与系统的固有特性有关。
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转子系统常见故障机理分析
► 转子系统、转子振动和转子故障之间的分类
转子振动分类
横向振动——发生在包括转轴的横向平面内（xoy） 轴向振动——发生在转轴的轴线方向上（x轴） 扭转振动——沿转轴轴线发生的扭振
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转子系统常见故障机理分析
一倍频——转子不平衡、轴承工作不良、对中 不良等均会引起一倍频增大，发生概率依次降低。
二倍频——转子对中不良、轴弯曲、松动等， 主要是对中不良。
0.5倍频——油膜失稳；轴承工作不良（如间隙、 接触、摇摆等）；旋转失速（喘振的先兆）的频率 为(0.4~0.8)倍工频，也有可能。
时间波形法——通过观察振动波形的特征来获 取诊断信息
含有周期成分及随机噪声的振动波形 经平滑处理后的振动波形
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转子系统常见故障机理分析
径向点触摩擦时的振动波形
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转子系统常见故障机理分析
在正常的状态下 ， 波形图应为较平滑的正弦 波，且重复性好。
（ 1 ） 动不平衡时，在一个周期内为典型的正 弦波；
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转子系统常见故障机理分析
转速跟踪法 奈奎斯特图分析法（极坐标图）
0 2485
2555
0
0 2415
2590
0 2345 02215
0
转轴随转速变
1923 0
270
461
9 0 化时的工频振
04 9 0 0
02621
03535
动矢量图
0 03 1 5 0
0 2870 0 2800
02660
0
02 6 9 5波特图——振幅与频率，相位与频率的关系曲线
50
90
40
150
30
210
20
270
10
330
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
频率/ Hz
30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
频率/ Hz
从波特图中可以得到：转子系统在各个转速下的
振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、
转子系统阻尼大小和共振放大系数、综合转子系统
上几个测点可以确定转子系统的各阶振型。
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转子系统常见故障机理分析
瀑布图
利用瀑布图可以判断机器的临界转速、振动原 因和阻尼大小。
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转子系统常见故障机理分析
►转子系统振动故障机理及特征分析
转子不平衡 原因 转子系统质量偏心（制造误差、装配误差、 材质不均……）； 转子部件出现缺损（腐蚀、摩擦、局部破损 等）。
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转子系统常见故障机理分析
轴心轨迹图
轴心轨迹是指转子轴心点相对于轴承座运动而 形成的轨迹。
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转子系统常见故障机理分析
轴心轨迹的合成
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转子系统常见故障机理分析
轴心轨迹的形状
不平衡
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转子系统常见故障机理分析
不对中 油膜涡动
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转子系统常见故障机理分析
转子与静止部件的碰撞和摩擦
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转子系统常见故障机理分析
D
D
D
D
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转子系统常见故障机理分析
阶比幅值谱
阶比幅值谱
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转子系统常见故障机理分析
自功率谱图
滚动轴承的功率谱图 优点： ✓ 它可以把能量集中的谱峰更加突出地表现出来。 ✓ 它不仅可以表现某些特征频率值的能量集中状况，而且 可以研究某一段频带范围内能量分布的水平。 ✓ 它比幅值谱有更加广泛的用途。
第五章 航空发动机振动 监测与诊断
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航空发动机的主要激振源
► 转子激振源
转子不平衡（振动频率与转速相等）
单圆盘转子
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航空发动机的主要激振源
临界转速：
旋转机械在启停升降速 过程中，往往在某个(或某几 个)转速下出现振动急剧增大 的现象。原因往往是由于转 子系统处于临界转速附近产 生共振。
转子的临界转速个数与 转子的自由度相等。
轴心轨迹的旋转方向 若轴的旋转方向与轴心轨迹旋转方向一致，
称为正向进动。反之，称为反向进动。 当转子具有不平衡、不对中、油膜涡动等故
障时表现为正向进动；当转子与定子发生摩擦时， 表现为反向进动。
轴心轨迹的稳定性 一般情况下，轴心轨迹保持稳定。一旦发生形
状大小的变化或轨迹紊乱，则揭示机器运行状态已 发生变化或进入异常。
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转子系统常见故障机理分析
静态参数 轴心位置：在稳定情况下，轴承中心相对于转 轴轴颈中心的位置 轴向位置 差胀：转子与静子之间轴向间隙的变化值 对中度：轴系转子之间的连接对中程度 温度：轴瓦温度反映轴承运行情况 润滑油压：反映滑动轴承油膜的建立情况
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转子系统常见故障机理分析
►旋转机械振动故障分析常用方法