关键词：航空发动机；主轴轴承；故障；诊断
滚动轴承在航空发动机承力传动系统当中属于一项必不可少的部分，同时也是航空发动机当中的薄弱环节，轴承的性能以及质量好坏对航空发动机的使用寿命以及可靠性带来直接影响。
1 航空发动机主轴轴承故障诊断意义
当前，我国对于航空发动机主轴轴承的研究，无论是理论上还是在结构设计上、制造工艺上均得到了较大的发展，而轴承性能以及可靠性也获得大大提升。但是，当下航空技术也迅速发展，发动机的推重、功率逐渐增大，主轴轴承工作条件变得更加复杂和恶劣，这对主轴轴承性能提出了更高要求，若经常出现故障，则会影响飞行安全。在航空发动机以往出现各种故障当中，转动部件故障发生率最高，可达80%以上，主要是转子系统当中的片、盘以及轴、轴承等。对此，对航空发动机故障进行严密监测和诊断，特别是对主轴轴承状态的检测，对于飞机的适航性、降低维修费用上、减少飞行事故上具有重要意义[1]。
2 小波包分析
对小波变换的多分辨分析的基本思想就对信号进行投影，将其投影到一组能够互相正交的小波函数构成的子空间上，从而形成信号，而在不同尺度上展开，但因为尺度主要是按照二进制而变化的，也就是对信号频带指数进行划分，然后将上层所分析的低频信号再次分解，形成低频以及高频两个部分，没有将高频部分进行再次分解，促使高频段频率分辨率不高，也导致低频段时间能分辨率不高。小波包分析的应用，能够为信号带来更为精细的分析方法，然后对频带做出多层次划分，将米有被细分高频作出进一步分解，可以结合被分析下信号的特点，自适应的对频段进行选择，促使其和信号频谱之间能够达到相互匹配的目的，这就促使分辨率得到提高，所以其应用价值较高[2]。
上图是一个三层小波包树形分解图，结合该树形图可以得出：
S=AAA3+DAA3+ASA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DAD3+ADD3+DDD3
3 仿真故障信号
3.1 仿真滚动轴承外圈故障信号
3.1.1 模拟外圈故障信号构成
结合轴承外圈单个损伤点情况理论模型，将仿真的外圈单个损伤点故障作为基础，构建相应的振动信号。先将损伤点所产生的脉冲串激励所带来的振动已有频率设为fn=4kz，也就是说，衰减振动的固有频率fn=4kHz。此后设fo=100Hz（故障特征频率），也就是脉冲所产生的周期To=1/100s，而采样频率则为fs=16kHz，其中的单个脉冲激励所引起的衰减振动为：
在该式子当中，yo=5，ξ=0.1，w=2πfn。取30个脉冲，从而引发相应振动，振动冲击会引起衰减振动，从而的除外圈故障而引发的振动信号。技术人员对其进行模型仿真，此时外圈冲击相应过程因为存在阻尼，因此不同脉冲激励引发一定的衰减振动，在下一次脉冲冲击出现之前，就已经衰减成为零，所以不会相互干扰。技术人员在形成的故障信号上再次加上大量的高斯白噪声，同时再加上两个低频振动成分，进而显示出另外一种冲击过程频率。然后对这些信号进行分析，得出4kHz附近存在调制的谱线。
3.1.2 模拟外圈故障信号分析
选择dB5小波，进行加噪声以及低频信号的振动信号进行3层小波包分解，获得8组分解数据，分别为c3，p，p=0，……，7，进行阈值消噪，同时还从小波包当中选择出最优分分解向量，其为c3，2，此后结合其特点绘制出相应频谱图。技术人员对该频谱图进行分析，能够十分清晰的发现外圈故障频率100Hz的谱线以及数阶倍频的谱线，分别为200Hz，300Hz，400Hz，500Hz，随着阶数的不断增高，促使谱线幅值逐渐减小，特点和滚动轴承的外圈故障信号理论模型相一致。
3.2 仿真滚动轴承内圈故障信号
3.2.1 内圈故障信号构成的模拟
在对内圈冲击过程进行仿真过程中，因为脉冲力作用、方向、大小等的影响，促使内圈故障脉冲激励而导致的衰减振动通过冲击信号和系数ci（t）=q（2πf，t）p（2πf，t）相乘得出的。式子当中的fr属于轴旋转的频率，其中fr=16Hz。而内圈冲击响应序列和外圈冲击响应相一致[3]。
3.2.2 模拟内圈故障信号分析
对于内圈故障信号而言，通过小波包分解，对最优分解系数做出相应的傅立叶变换，然后画出频谱图。技术人员对该频谱图进行分析，发现100Hz谱线和数阶倍频（300Hz，400Hz）的谱线，因为阶数的增高，促使谱线的幅值逐渐减小，将不同阶倍频作为中心，然后在其两侧有边带，间隔是轴旋转频率fr=16Hz的调制谱线，促使所调制谱线的幅值与各阶故障特征频率相互远离时会逐渐下降。存在的特点和滚动轴内圈故障信号理论模型相同。
3.3 疼轴承滚动体故障信号的仿真
3.3.1 故障信号构成
在滚动体上，损伤点和外圈之间相互接触时，会产生脉冲力，其直接应用在外圈上，促使损伤点和内圈之间相互接触时，出现的脉冲力需要借助滚动体和外圈界面传播，然后作用在外圈，在滚动体的内部以及通过界面传播时的能量损失，促使该脉冲力幅度和之前相比较小。假设dbi=0.4dbo，其中dbi和dbo所代表的内容分别为滚动体上损伤点和内圈、外圈接触时出现的脉冲力强度。促使损伤点所产生的脉冲串激励而引起的振动固有频率为fn=3kHz。这就促使故障特征频率fbc=120Hz，而对采样频率进行检测发现fn=3kHz。设置故障特征频率fbc=120Hz，同时设置采样频率fs=16kHz。这种情况下，滚动体上出现一个损伤点时，呈现出的衰减振动如下图所示：
图2 仿真滚动体有损伤点的脉冲响应序列
3.3.2 滚动体故障信号模拟分析
对滚动体故障信号分析，和外圈、内圈分析方式相一致，选择dB5小波，针对加噪声以及低频干扰之后产生的振动信号进行选择，然后对其进行三层小波包分解。借助阈值实施相应的消噪处理，选择能量最大的一组：c32，然后针对分解系数实施傅立叶变换，绘制出相应的频谱图。对频谱图进行分析之后，能够发现滚动体故障特征fbc=119.9Hz的谱线，伴随着阶数的不断增高，促使谱线幅值逐渐降低[4]。
4 结束语
综上所述，航空发动机主轴承的测试，获得的鑫海是非平稳信号。技术人员需要对发动机机匣振动信号，同时通过小波变换对提取的主轴轴承故障特点进行分析。
参考文献：
[1]陈湃.民用航空发动机滚动轴承故障诊断技术研究[J].科技资讯，2017，15（34）：81-82+84.
[2]史修江，王黎钦，郑德志.考虑动力学特性的航空发动机主轴球轴承热弹流分析[J].摩擦学学报，2015，35（04）：415-422.
[3]梁先芽，沙云东，张强，栾孝驰.基于复杂传递路径的发动机主轴轴承故障信号提取技术[J].沈阳航空航天大学学报，2014，31（06）：24-30.
[4]梁先芽，沙云东，栾孝驰，赵奉同，张强.基于包络谱分析的航空发动机主轴轴承故障诊断[J].沈阳航空航天大学学报，2013，30（04）：18-22.
论文作者:贾晓彤1,刘洋2,张强3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/15
标签：故障论文; 信号论文; 内圈论文; 外圈论文; 主轴论文; 轴承论文; 脉冲论文; 《防护工程》2018年第31期论文;