專利名稱：應用于氣路靜電監(jiān)測的發(fā)動機碰摩故障模擬實驗臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于氣路靜電監(jiān)測的發(fā)動機碰摩故障模擬實驗臺，屬于航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障檢測領域。
背景技術：
航空發(fā)動機轉子葉片與封嚴材料或機匣本體發(fā)生碰摩是一類十分常見的氣路機械故障。該故障在發(fā)生初期具有間歇性故障的特點，但是持續(xù)的碰摩故障可以影響轉子系統(tǒng)的力平衡和動剛度，從而引起整機振動加劇、轉子軸彎曲、葉片壽命降低、葉尖間隙增大、發(fā)動機性能下降或引起其他繼發(fā)故障。目前航空發(fā)動機制造商普遍采取減小葉尖間隙這一方法來有效提高發(fā)動機效率，使得發(fā)動機更容易發(fā)生碰摩故障。目前應用于監(jiān)測碰摩故障主要包括定期孔探檢查、性能監(jiān)控以及基于振動信號監(jiān)測的方法，孔探檢查是一種離線檢測手段，難以及時的發(fā)現(xiàn)發(fā)動機碰摩故障，另外，振動監(jiān)測和性能監(jiān)控則只能對原發(fā)故障產(chǎn)生的二次征兆或影響進行監(jiān)測。例如，在葉片碰摩發(fā)生時，只有當損失了足夠多的材料導致不平衡，才能引起發(fā)動機振動加劇而監(jiān)測到異常，而且發(fā)動機自身振源很多，診斷出根本故障原因的難度比較大；對性能監(jiān)控，只有當葉尖間隙的尺寸已經(jīng)影響所監(jiān)控的性能參數(shù)(溫度、壓力等)發(fā)生了較大變化時，才能監(jiān)測到異常。但是從發(fā)動機制造和使用的過程中出現(xiàn)的新情況和新需求來看，迫切需要研究一種可以在線監(jiān)測碰摩故障的技術，實現(xiàn)對目前存在的檢測方法的有效補充的目的。航空發(fā)動機發(fā)生碰摩故障會產(chǎn)生金屬顆粒，這些金屬顆粒最終會導致氣路的總體靜電荷水平變化，進而引起氣路靜電信號異常，最終被靜電傳感器感應出氣路中靜電整體水平變化情況，并通過靜電信號采集系統(tǒng)獲取這些信號，實現(xiàn)利用航空發(fā)動機氣路靜電監(jiān)測技術監(jiān)測旋轉部件的碰摩故障。因靜電監(jiān)測技術監(jiān)測的是碰摩故障的直接產(chǎn)物，可以提供早期故障信號，能夠提前提供預警信息，為氣路部件健康狀態(tài)評估與剩余壽命預測提供新的信息源。該技術是一項非常有應用前景的航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測技術，對提前故障發(fā)現(xiàn)時機、預防發(fā)動機重大故障和保證飛機飛行安全等方面具有十分重要的意義。Powrie等分析了利用靜電監(jiān)測技術監(jiān)測發(fā)動機碰摩故障的可行性，并提出了靜電信號軸頻分析的基本定義。李耀華等通過綜合金屬顆粒注入實驗以及帶電小球周期運動實驗討論了利用靜電感應原理實現(xiàn)監(jiān)測發(fā)動機碰摩故障的可行性研究以及碰摩故障所具有的周期性特征，但是缺乏直接有效的碰摩故障靜電監(jiān)測實驗驗證。為了研究航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測技術，需要開展大量的航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測實驗。但是，在真實航空發(fā)動機上開展碰摩故障注入實驗成本過高，并且伴隨著很大的實驗風險，難以實現(xiàn)。目前存在的航空發(fā)動機碰摩模擬實驗裝置大多是采用擰緊螺釘方式使轉子與靜子發(fā)生碰摩，不符合發(fā)動機碰摩故障模擬靜電監(jiān)測實驗中對碰摩過程進行實時控制及調整、靜電傳感器安裝等要求。在這些背景下，需要設計了應用于氣路靜電監(jiān)測研究的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺，能夠高效的實現(xiàn)不同碰摩材料(碰摩材料可拆卸)的碰摩實驗，實時獲取碰摩故障發(fā)生時的靜電信號以及徑向、切向碰摩力信號，工程上易于實現(xiàn)，制造成本也較低，可形成研究航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測技術的實驗設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應用于氣路靜電監(jiān)測研究的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺。一種應用于氣路靜電監(jiān)測的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺，其特征在于:
由安裝平臺、轉子系統(tǒng)、轉子運動控制系統(tǒng)、碰摩材料進給裝置、碰摩材料進給控制系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成；
上述安裝平臺包括支撐座，還包括依次相連的安全保護罩、連接管、氣路延長管；其中安全保護罩設有碰磨材料進給窗口；
上述轉子系統(tǒng)依次由調速電機、聯(lián)軸器、傳動軸、輪盤、實驗葉片組成；
上述轉子運動控制系統(tǒng)依次由空氣開關、電磁繼電器、與上述調速電機相連的電機調速器組成；
上述實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括靜電傳感器、轉速傳感器、徑向沖擊力測量單元、切向沖擊力測量單元；其中靜電傳感器的探頭伸入安裝平臺中氣路延長管路中，轉速傳感器安裝于上述調速電機處；上述靜電傳感器經(jīng)過靜電信號調理單元后，以及轉速傳感器、徑向沖擊力測量單元、切向沖擊力測量單元均與信號采集卡的相應輸入端相連，信號采集卡的輸出端與信號處理單元相連；
上述碰摩材料進給裝置由步進電機、絲杠、進給導軌、安裝于絲桿和進給導軌上的進給滑臺、固定于進給滑臺的碰摩材料安裝固定架、與發(fā)動機機匣材質相同的碰摩材料、L型支撐件組成；其中碰摩材料安裝固定架和L型支撐件都有水平臂和豎直臂；上述切向沖擊力測量單元通過螺栓連接安裝于碰摩材料安裝固定架的水平臂與進給滑臺之間，碰摩材料安裝于碰摩材料安裝固定架的豎直臂外側；L型支撐件的水平臂安裝于進給滑臺上，上述徑向沖擊力測量單元通過螺栓連接安裝于L型支撐件的豎直臂的內(nèi)側與碰摩材料安裝固定架豎直臂的內(nèi)側之間；
上述碰摩材料進給控制系統(tǒng)依次由直流電源、步進電機控制卡、與上述步進電機相連的步進電機驅動器組成。在開展航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測實驗時，轉子系統(tǒng)在轉子運動控制系統(tǒng)控制下以一定轉速運動，可拆卸的碰摩材料安裝于碰摩材料進給裝置上，碰摩材料進給裝置在碰摩材料進給控制系統(tǒng)的控制下以一定速度到達指定位置。轉子系統(tǒng)上的葉片與碰摩材料發(fā)生劇烈的碰摩現(xiàn)象，實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實驗過程中的靜電信號以及徑向、切向碰摩力，獲取到碰摩故障發(fā)生時的原始靜電信號，并分析其信號特征。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下顯著的進步:I)本發(fā)明可實現(xiàn)模擬航空發(fā)動機碰摩故障，相對于其他的航空發(fā)動機碰摩模擬方式，本發(fā)明中采用接觸面碰摩代替了擰緊螺釘這類點狀碰摩接觸形式，使得故障模擬方式更加符合航空發(fā)動機碰摩故障的真實情況；
2)本發(fā)明是專為實現(xiàn)航空發(fā)動機碰摩故障模擬靜電監(jiān)測研究設計的，能夠便于安裝各種型號的靜電傳感器；
3)本發(fā)明可以利用碰摩材料進給控制系統(tǒng)實現(xiàn)對碰摩嚴重程度的調節(jié)和控制，獲取不同碰摩嚴重程度時對應的靜電信號，分析靜電信號與碰摩故障嚴重程度之間的對應關系；
4)利用碰摩材料進給裝置上的碰摩材料安裝固定架實現(xiàn)容易地更換不同材質的碰摩材料，研究不同碰摩材料發(fā)生碰摩時對應的靜電信號異同之處，實現(xiàn)研究不同材質碰摩故障顆粒的帶電機理的目的；
5)本發(fā)明利用轉子運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)調節(jié)碰摩故障發(fā)生時轉子轉速，實現(xiàn)同一種碰摩材料在不同轉子轉速碰摩時的靜電監(jiān)測試驗，實現(xiàn)研究碰摩周期與采集的靜電信號周期的相關性研究；
6)本發(fā)明所采用的電器方面的技術在工程實踐上易于實現(xiàn)，制造成本也較低，可形成研究航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測技術的硬件基礎。


圖1為本發(fā)明一種應用于氣路靜電監(jiān)測研究的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺的主要機械機構結構示意圖；圖2為本發(fā)明一種應用于氣路靜電監(jiān)測研究的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺的整體框架示意 圖3為本發(fā)明轉子系統(tǒng)的組成結構 圖4為本發(fā)明轉子運動控制系統(tǒng)的主要組成及連接關系；
圖5為本發(fā)明碰摩材料進給裝置結構；
圖6為本發(fā)明碰摩材料進給控制系統(tǒng)組成框 圖7為本發(fā)明實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框 圖8為本發(fā)明實驗臺機械安裝平臺主體結構；
圖9為實施例中低碳素鋼葉片-鋁合金碰摩材料進行碰摩故障模擬實驗獲取的靜電信
號;
圖10為實施例中碰摩故障模擬實驗獲取的靜電信號頻譜分析結果；
I為安全保護罩，2為碰摩轉子部件，3為安裝平臺，4為可拆卸碰摩材料，5為徑向沖擊力測量單元6為切向沖擊力測量單元，7為碰摩進給裝置，8為步進電機，9為調速電機，10為傳動軸，11為輪盤，12為實驗葉片，13為氣路管路，14為靜電傳感器，15為轉速傳感器，16為聯(lián)軸器，17為碰摩材料安裝固定架，18為進給滑臺，19為進給導軌，20為絲杠，21為力傳感器，22為大螺栓，23為L型支撐件，24為連接管，25為靜電傳感器安裝孔，26為支撐座。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種應用于氣路靜電監(jiān)測研究的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺，包括轉子系統(tǒng)、轉子運動控制系統(tǒng)、碰摩材料進給裝置、碰摩材料進給控制系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安裝平臺。在開展航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測實驗時，轉子系統(tǒng)在轉子運動控制系統(tǒng)控制下以一定轉速運動，可拆卸的碰摩材料被安裝于碰摩材料進給裝置上，碰摩材料進給裝置在碰摩材料進給控制系統(tǒng)的控制下以一定速度到達指定位置。轉子系統(tǒng)上的葉片與碰摩材料發(fā)生劇烈的碰摩現(xiàn)象，實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實驗過程中的靜電信號以及徑向、切向碰摩力，獲取到碰摩故障發(fā)生時的原始靜電信號。如圖3所示，轉子系統(tǒng)由調速電機、聯(lián)軸器、傳動軸、輪盤、實驗葉片組成，實驗葉片安裝于輪盤上，傳動軸通過聯(lián)軸器與調速電機軸相連，輪盤在調速電機的驅動下高速旋轉，使得葉片具有較高的切向線速度。
如圖4所示，轉子運動控制系統(tǒng)包括空氣開關、電磁繼電器、電機調速器；空氣開關直接380V工業(yè)動力電源相連接，然后空氣開關連接電磁繼電器，電磁繼電器與電機調速器相連接，電機調速器控制調速電機以設定的轉速進行轉動。在起動和關閉電動機過程中，通過電磁繼電器可對電動機實現(xiàn)低電壓控制來保證安全。如圖5所示，碰摩材料進給裝置由進給滑臺、進給導軌、絲杠、步進電機、碰摩材料、碰摩材料安裝固定架、L型支撐件以及相關支撐機械組成。碰摩材料安裝固定架用于放置固定不同材質的碰摩材料，該安裝固定架可以反復拆卸，根據(jù)實驗需要更換不同材質的碰摩材料。碰摩材料安裝固定架安裝在進給滑臺上，進給滑臺可以在進給導軌上前后滑動，進給滑臺通過絲杠與步進電機相連接，將步進電機的轉動轉化為進給滑臺的直線運動。相關支撐機械構成了碰摩材料進給裝置本體，并安裝了兩S型力傳感器，分別用于測量徑向、切向碰摩力。如圖6所示，碰摩材料進給控制系統(tǒng)包括直流電源、步進電機驅動器、步進電機控制卡。直流電源為步進電機驅動器和步進電機控制卡提供電力，步進電機控制卡與步進電機驅動器相連接，向步進電機驅動器發(fā)出控制指令。步進電機驅動器與步進電機相連，根據(jù)接收到的控制指令驅動步進電機動作。如圖7所示，實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括靜電傳感器、S型力傳感器、信號調理單元、信號采集卡、信號采集軟件、計算機以及相關電纜。實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實驗過程中的靜電信號以及徑向、切向碰摩力，并利用信號采集軟件保存、分析獲取的信號。如圖8所示，碰摩故障實驗臺安裝平臺，它主要由安全保護罩、連接管、氣路延長管和支撐座組成。安全保護罩與地面之間用緊固螺栓連接，支撐座與地面同樣也用螺栓連接。氣路延長管筒與安全保護罩之間通過連接管連接，通過螺栓連接將兩部分進行固定，這樣整個機械部分連成一個整體。其中安全保護罩上延著軸線用切割機切開了一個口，它的中心點和葉片旋轉軸心點對齊，它是轉子系統(tǒng)中的實驗葉片和碰摩材料發(fā)生碰摩的進給窗口，碰摩材料進給控制系統(tǒng)按照設定的進給量控制碰摩材料進給裝置通過進給窗口將碰摩材料送至碰摩位置，使得碰摩材料與轉子系統(tǒng)實現(xiàn)碰摩故障模擬。氣路延長管上開有不同位置、不同直徑的圓形螺紋孔，用于放置靜電傳感器，傳感器的探頭深度與尾筒半徑相同。本發(fā)明是研究航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測研究的實驗設備，便于安裝各種型號的靜電傳感器，能夠實現(xiàn)不同碰摩材料(碰摩材料可拆卸)的碰摩實驗，采用碰摩接觸面代替了擰緊螺釘這類點狀碰摩接觸形式，使得故障模擬方式更加符合航空發(fā)動機碰摩故障的真實情況。利用實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時獲取碰摩故障發(fā)生過程中的靜電信號以及徑向、縱向碰摩力信號，實現(xiàn)通過碰摩材料進給控制系統(tǒng)實現(xiàn)對碰摩嚴重程度的調節(jié)和控制，獲取不同碰摩嚴重程度時對應的靜電信號，分析靜電信號與碰摩故障嚴重程度之間的對應關系；利用碰摩材料進給裝置上的碰摩材料安裝固定架實現(xiàn)方便的更換不同材質的碰摩材料，研究不同碰摩材料發(fā)生碰摩時對應的靜電信號異同之處，實現(xiàn)研究不同材質碰摩故障顆粒的帶電機理的目的；利用轉子運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)調節(jié)碰摩故障發(fā)生時轉子轉速，實現(xiàn)同一種碰摩材料在不同轉子轉速碰摩時的靜電監(jiān)測試驗，實現(xiàn)碰摩周期與采集的靜電信號周期的相關性研究。實施例目前利用該實驗設備開展了航空碰摩故障模擬靜電監(jiān)測實驗。在常溫條件下，使用碰摩進給量控制單元調節(jié)碰摩進給裝置，使可拆卸碰摩材料與轉子葉片可以發(fā)生輕微接觸。在實驗過程中，作為旋轉部件的轉子實驗葉片有6片，葉片材料選用了低碳素鋼，其剛度和硬度符合實驗的基本要求，可拆卸碰摩材料選用了鋁鎂合金。實驗目的在于驗證靜電傳感器是否能夠監(jiān)測到該碰摩實驗產(chǎn)生的金屬顆粒，以及分析故障靜電信號特征并觀察信號頻域中是否出現(xiàn)了周期信號成分，研究模擬碰摩故障靜電信號特征頻率與電動機轉速之間的關系。獲取的靜電監(jiān)測信號如圖所示，在模擬碰摩故障發(fā)生時，靜電信號出現(xiàn)了幅值較大的變化，并且幅值為大部分為負，模擬碰摩故障結束后，靜電信號又恢復到正常水平。轉子的轉動頻率計算公式:，其中為轉子轉速，碰摩軸頻是為了研究周期性碰摩故障而定義的，根據(jù)文獻中的定義，表示轉子每旋轉I周葉片與機匣或封嚴材料碰摩I次，表示轉子每旋轉I周葉片與機匣或封嚴材料碰摩2次，以此類推表示轉子每旋轉I周壓氣機葉片與機匣或封嚴材料碰摩η次，O。如果在某一段時間內(nèi)葉片與機匣或封嚴材料出現(xiàn)周期性碰摩，則在靜電信號中將會出現(xiàn)與碰摩軸頻對應的信號成分。實驗中，我們采用的電機的轉動速度約為2900，設定的碰摩故障葉片為6片，及轉子旋轉一周，葉片與實驗平臺上的可拆卸碰摩材料碰摩6次，Hz。對實測的電壓信號利用Hilbert變換進行功率頻譜分析的結果如圖9所示，圖中出現(xiàn)了市電頻率50Hz以及對應的倍頻，并且出現(xiàn)了對應的碰摩頻率。
權利要求
1.一種應用于氣路靜電監(jiān)測的航空發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺，其特征在于: 由安裝平臺(3)、轉子系統(tǒng)、轉子運動控制系統(tǒng)、碰摩材料進給裝置(7)、碰摩材料進給控制系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成； 上述安裝平臺(3)包括支撐座(26)，還包括依次相連的安全保護罩(I )、連接管(24)、氣路延長管(13);其中安全保護罩(I)設有碰磨材料進給窗口 ； 上述轉子系統(tǒng)依次由調速電機(9)、聯(lián)軸器(16)、傳動軸(10)、輪盤(11)、實驗葉片(12)組成； 上述轉子運動控制系統(tǒng)依次由空氣開關、電磁繼電器、與上述調速電機(9)相連的電機調速器組成； 上述實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括靜電傳感器(14)、轉速傳感器(15)、徑向沖擊力測量單元(5)、切向沖擊力測量單元(6);其中靜電傳感器(14)的探頭伸入安裝平臺(3)中氣路延長管路(13)中，轉速傳感器(15)安裝于上述調速電機(9)處；上述靜電傳感器(14)經(jīng)過靜電信號調理單元后，以及轉速傳感器(14)、徑向沖擊力測量單元(5)、切向沖擊力測量單元(6)均與信號采集卡的相應輸入端相連，信號采集卡的輸出端與信號處理單元相連； 上述碰摩材料進給裝置(7)由步進電機(8)、絲杠(20)、進給導軌(19)、安裝于絲桿(20)和進給導軌(19)上的進給滑臺(18)、固定于進給滑臺(18)的碰摩材料安裝固定架(17)、與發(fā)動機機匣材質相同的碰摩材料(4)、L型支撐件(23)組成；其中碰摩材料安裝固定架(17)和L型支撐件(23)都有水平臂和豎直臂；上述切向沖擊力測量單元(6)通過螺栓連接安裝于碰摩材料安裝固定架(17)的水平臂與進給滑臺(18)之間，碰摩材料(4)安裝于碰摩材料安裝固定架(17)的豎直臂外側山型支撐件(23)的水平臂安裝于進給滑臺(18)上，上述徑向沖擊力測量單元(5)通過螺栓連接安裝于L型支撐件(23)的豎直臂的內(nèi)側與碰摩材料安裝固定架(17)豎直臂的內(nèi)側之間； 上述碰摩材料進給控制系統(tǒng)依次由直流電源、步進電機控制卡、與上述步進電機(8 )相連的步進電機驅動器組成。
全文摘要
一種應用于氣路靜電監(jiān)測的發(fā)動機碰摩故障模擬試驗臺，屬于航空發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控與故障檢測領域。該試驗臺由安裝平臺(3)、轉子系統(tǒng)、轉子運動控制系統(tǒng)、碰摩材料進給裝置(7)、碰摩材料進給控制系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。本發(fā)明克服了在真實航空發(fā)動機上做碰摩故障注入實驗所面臨的高成本、高危險性等問題，可以高效的實現(xiàn)不同碰摩材料的碰摩實驗，實時獲取碰摩故障發(fā)生時的靜電信號，該發(fā)明制造成本較低、工程上易于實現(xiàn)，是研究航空發(fā)動機碰摩故障靜電監(jiān)測技術的實驗設備。
文檔編號G01M15/00GK103207081SQ201310089230
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權日2013年3月20日
發(fā)明者左洪福, 劉鵬鵬, 付宇, 孫見忠, 劉捷, 閆新星 申請人:南京航空航天大學