基于LabVIEW的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)

劉振峰，楊偉新

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

航空發(fā)動機故障診斷要求做好故障定位準確快速，以方便后續(xù)的維修；另外，故障的診斷還可以對發(fā)動機的實際運行狀態(tài)進行記錄與判斷，方便后續(xù)的繼續(xù)使用，確保發(fā)動機始終處于安全狀態(tài)[1]。

EMD分解可將信號分解為多個IMF（Intrinsic Mode Function，本征模態(tài)函數(shù)）分量與一個趨勢的代數(shù)和，適用于非線性、非平穩(wěn)信號分析?；贓MD理論，以LabVIEW為開發(fā)平臺，設(shè)計并開發(fā)出一套功能完善的航空發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)。

1 彈支動應(yīng)力測試技術(shù)

在彈支水平與垂直方向的彈條上粘貼應(yīng)變片。彈支自由端徑向位移與彈支彈條的應(yīng)變量的關(guān)系見式（1）[2]。式中Y為彈支自由端的徑向位移；l為彈條長度；ε為彈支彈條的應(yīng)變量；h為彈條厚度。根據(jù)式（1），彈支自由端徑向位移與彈支彈條的應(yīng)變量成正比。根據(jù)彈條的因變量（動應(yīng)力信號）可監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)子的故障。

發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生故障時，因受到剛度的非線性、油膜間隙及載荷變化等因素的影響，彈支的動應(yīng)力信號必然呈現(xiàn)出非線性、非平穩(wěn)特性[3]，另外，由于測試過程中的噪聲污染，使得通過彈支動應(yīng)力信號獲取的軸心軌跡形狀復(fù)雜，難以辨別出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此，如何從含有背景噪聲且具有非線性、非平穩(wěn)特性的彈支動應(yīng)力信號中提取出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障特征信息，是航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 EMD基本原理[4]

EMD（Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）分解是將信號分解成多個IMF分量，可表示為式（2）。EMD分解由信號自身的變化決定，是一種自適應(yīng)信號分解方法，適用于分析航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彈支非平穩(wěn)動應(yīng)力信號。

3 總體設(shè)計

（1）硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)，采用日本共和電業(yè)應(yīng)變計，型號KFH-1-120-C1-11 H1M3，數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司的PXI-4471B動態(tài)信號采集卡。

（2）軟件構(gòu)成。軟件的設(shè)計是核心部分，LabVIEW語言擁有高級信號分析子函數(shù)以及各種儀器驅(qū)動程序，用戶只需要將輸入控制、輸出顯示的圖標調(diào)出來，就可以完成參數(shù)的配置，然后再與程序的框圖連接起來，就可以完成對應(yīng)的工作[5]。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理及故障診斷組成。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。支持工具中，不能缺少數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動程序及編程接口，其能夠提供硬件設(shè)備與應(yīng)用層開發(fā)工具之間的接口，確保應(yīng)用層的開發(fā)工具能被不同的硬件設(shè)備使用[6]，NI公司的NI-DAQmx驅(qū)動程序，可以與LabVIEW和NI公司的硬件產(chǎn)品無縫結(jié)合使用，因此成為選用LabVIEW構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時驅(qū)動程序的首選。

（2）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊可以對在線信號波形進行動態(tài)顯示，也能將數(shù)據(jù)作為文件存儲，方便后續(xù)使用。數(shù)據(jù)分析給出時域與頻域波形，界面主要有數(shù)據(jù)采集時的日期、時間及經(jīng)過的時間，另外給出一些參數(shù)設(shè)置，如分辨率、窗函數(shù)、坐標軸顯示方式等，此外還顯示一些主要特征參數(shù)，如峰值、均值、有效值等。

（3）數(shù)據(jù)EMD處理。在Matlad的環(huán)境下實現(xiàn)EMD的使用，可將Matlab與LabVIEW結(jié)合進行描述[2]。文本語言的可維護性與易讀性比較差，影響軟件后續(xù)的調(diào)試。針對EMD工具箱缺少EMD算法問題，對LabVIEW進行二次開發(fā)[7]，EMD分解方法部分程序框圖如圖1所示。

5 應(yīng)用實例

某型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子振動信號通過安裝在發(fā)動子轉(zhuǎn)子柔性支承-彈支彈條上的應(yīng)變片采集[3]，采樣頻率10 kHz。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速42 770 r/min。從時域圖（圖2）和頻譜圖（圖3）很難判斷轉(zhuǎn)子出現(xiàn)何種故障。

直接進行故障信號EMD分解，基于其各個分量信號特性，通過4個分量的分解，采樣點數(shù)為1024.其中，信號最高頻成分為INF1呈現(xiàn)出來的信息。EMD分解如圖4所示。

圖1 EMD分解程序框圖

圖2 時域波形圖

圖3 頻域波形圖

在主頻f=712.89 Hz（折合轉(zhuǎn)速為42 770 r/min）左右兩邊分別出現(xiàn)f1=628.66 Hz和f2=797.12 Hz的邊頻帶。又因f-f1=f2-f=84.23 Hz，根據(jù)文獻[8]，可以判斷轉(zhuǎn)子的故障為動靜碰摩故障。該實例驗證了轉(zhuǎn)子故障診斷系統(tǒng)的有效性。

6 結(jié)語

基于LabVIEW的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷，目前主要是將計算機軟硬件技術(shù)、非平穩(wěn)信息處理技術(shù)以及應(yīng)變片測試技術(shù)進行綜合運用，然后在齒輪箱故障診斷中直接的使用虛擬儀器技術(shù)，可以滿足振動信號的采集與處理要求，進而將故障診斷的精度提高，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，降低硬件維護費用。通過實驗證明，基于這種方式的故障診斷系統(tǒng)，工作穩(wěn)定可靠，能滿足在線與離線的故障分析，可以快速準確地診斷發(fā)動機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的故障。

圖4 故障信號EMD分解圖

[1]應(yīng)勇，王仲生.非平穩(wěn)信號特征提取在航空發(fā)動機故障診斷中的應(yīng)用[J].計測技術(shù)，2006，27（2）：7-10.

[2]彭宇寧，朱后.利用DLL技術(shù)實現(xiàn)LabVIEW和Matlab混合編程[J].計算機與現(xiàn)代化，2007（8）：93-95.

[3]吳桂嬌，陳運西，王平，丁建雄.高速轉(zhuǎn)子彈支振動應(yīng)變測量技術(shù)[C].中國航空學(xué)會第八屆小發(fā)動機學(xué)術(shù)會議，2009.

[4]Huang N E.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proc R Soc Lond A，1988，454：903-995.

[5]蘇敏，王勇，何惜港，等.基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)[J].軸承，2010（9）：41-44.

[6]張桐，陳國順，王正林著.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[7]楊偉新，江親瑜，王珍，郭方.EMD與高階累積量在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用研究[J].噪聲與振動控制，2010，31（5）：142-145.

[8]航空發(fā)動機設(shè)計手冊（第19分冊）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.