CN101266197B - 一种检测发动机轴承损坏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测轴承磨损的方法，该轴承支撑运行中的发动机的至少一根旋转轴，该方法包括：确定(S1)测量周期，在发动机低速的可重新启动状态期间，该周期对应轴的转速范围；在整个测量周期内，获得(S2)表示发动机各部件加速度的振动信号；在测量周期内，对作为轴的转速的函数的振动信号采样(S3)；将采样振动信号转换(S4)为频率信号，以获得作为轴的转速的函数的频谱线；计算(S5)谱线幅度的平均值；确定(S6)受损滚柱的理论频率的倍数附近的幅度峰值；计算(S7)每个幅度峰值和完好轴承确定的幅度级之间的比率；将所获得的比率与至少一个预定磨损阈值进行比较(S8)。

Description

一种检测发动机轴承损坏的方法

技术领域

本发明涉及监测轴承内磨损程度的一般领域，该轴承可提供发动机至少一个旋转轴的旋转支撑，例如航空涡轮发动机的轴间轴承。

背景技术

滚动轴承(滚珠轴承或滚柱轴承)普遍用于航空领域，特别用于对涡轮发动机高压转子和低压转子的轴提供旋转支撑。

涡轮机轴承的磨损情况需要进行监测，以尽早发现轴承的磨损，以预测轴承的断裂或严重故障。

其中一种已知的涡轮机轴承磨损监测方法是基于如下原理，即，轴承磨损的频率与轴承所支撑的轴或多个轴的转速成正比，该频率在涡轮机各部件中以振动形式传播。所以，该方法在于探寻涡轮机高速运行时各部件中的振动级。为此，该方法旨在整个飞行周期内采集振动信号，该信号取自一个或多个振动传感器，该能够检测涡轮机各部件的振动情况。然后，当确认振动级高于表示轴承良好状态的预定阈值时，即可检测轴承的磨损情况，此外，为了进行这种检测，人们已经确定了一种通用系数。例如，可以参考欧洲专利申请EP 1 111 364，其介绍了这种方法的实施。

然而，经过对磨损轴承的试验表明，采用这种方法并不总能检测到轴承磨损。来自振动传感器的测量结果在涡轮机高速运行时，经常受到自然振动情况的“污染”(燃烧室噪声、航空动力流造成的噪声、高压轴和低压轴转动速度的无数谐波的影响等)，这就造成了辨识表示磨损特征的振动级的难度。

发明内容

为此，本发明的主要目的是为了减少上述缺陷，提出一种能够可靠检测轴承磨损情况的方法，该轴承可向发动机的至少一个旋转轴提供旋转支撑。

根据本发明，该目的由下述方法实现，其包括：

a)确定测量周期，该周期对应发动机低速可重新运转期间的轴的转速范围；

b)在整个测量周期内，获取代表发动机各部件加速度的振动信号；

c)在测量周期内，对作为轴的转速的函数的振动信号进行采样；

d)将采样的振动信号转换成频率信号，以获得作为轴的转速的函数的频谱线；

e)计算谱线幅度的平均值；

f)确定受损滚柱的理论频率的倍数附近的幅度峰值；

g)计算每个幅度峰值和完好轴承确定的幅度级之间的比率；

h)将所获得的比率与至少一个预定磨损阈值进行比较。

本发明所提出的这种方法的特点非常突出，特别是，它可以在发动机低速可重新启动期间获得并处理振动信号。这样，噪声所形成的振动环境就降低了(例如，在涡轮机内，与燃烧和航空动力流相关的噪声很小)，从而提高了检测的可靠性。此外，人们还已经发现，发动机低速运转时，表示轴承磨损特征的理论频率要小于其高速运转时的频率，这就是说，在发动机低速运转时，可以观察到的轴承磨损数据要多于发动机高速运转时可观察到的数据。因此，轴承的受损情况就可以尽早得以发现。

根据本发明的一个有利特性，上述第h)步骤是将所获得的比率与低受损阈值比较，如果比率大于低受损阈值，还将其与高受损阈值进行比较，以确定轴承可能损坏的程度。

选择用于确定测量周期的发动机低速的可重新启动状态是对应发动机的起动阶段或停止阶段。起动和停止阶段对应发动机的低速运行，而且是可重新启动的。特别是，在涡轮机起动或停止期间应用本发明所提出的方法可以提供许多附加优点：在这些阶段期间，轴承的松弛趋于拧紧，为此，放大了轴承的磨损表征，这样，更容易发现轴承受损情况，该方法的实施成本更低，而且可以根据要求进行实施，例如，可以进行一次涡轮机的紧急中断起动。

本发明所提出的方法可以应用于向发动机两个旋转轴提供旋转支撑的轴承。在这些情况下，测量周期对应发动机低速运行时其中一个轴的转速范围，振动信号的采样可以根据测量周期内两个轴的转速之差的变化情况来进行。

步骤f)是确定受损滚柱理论频率的整数倍数附近的幅度峰值。

附图说明

参照附图，并结合如下说明，可以更好地理解本发明的其它特性和优点，但本发明并不仅限于附图给出的实施例，附图中：

图1为根据本发明所提出方法的实施步骤示意图；

图2为根据本发明所提出方法的步骤流程图，用于检测航空涡轮发动机轴间滚动轴承的磨损；

图3到6A-6C为示出了图2流程图的应用示例的图表。

具体实施方式

参看图1，图1示出了根据本发明所提出方法的各个步骤，用于检测向发动机的至少一个旋转轴提供旋转支撑的滚动轴承的磨损情况。

一般来讲，本发明应用于任何类型的发动机，该发动机具有至少一个旋转轴和至少一个滚动轴承，而且该发动机还可在低速下(起动阶段、停止阶段、空转、低速循环阶段等)呈可重新启动状态(renewable activity)。这类发动机可以包括固定翼飞机或直升机燃气涡轮发动机(简称涡轮机)、地面燃气发动机、齿轮箱、轴向发动机等。

本发明所基于的原理就是，轴承磨损所产生的频率与由轴承支撑的旋转轴的转速成正比。假设该频率通过发动机的各部件本身的振动会传递到加速度传感器上，特别是，这些部件以基本频率振动。

根据本发明该方法的第一步(S1)，是确定测量周期P，该周期P与轴在发动机低速时的可重新启动状态期间的转速N范围相对应。

下面一个步骤(S2)是在整个测量周期P采集表示发动机各部件加速度的振动信号γ(t)。该信号来自此前安装在发动机某个静止部件上的加速度传感器(例如加速度计或应变仪(strain gauge))。

随后，在第三步骤S3期间的测量周期P内，根据轴的转速N变化情况，采集振动信号γ(t)。

第四步骤(S4)是将采样的振动信号转换成频率信号，以获得以轴的转速N为阶次的频谱线(frequency spectrum lines)，其与公开的N阶次的频谱图(spectrogram)相一致。

然后，计算频谱线幅度的时间平均值(步骤S5)，并查找在磨损轴承的理论频率Ftheo的倍数附近的幅度峰值(amplitude peaks)(S6)。

接着，计算每个幅度峰值与完好轴承的幅度级(amplitude level)之间的比率R，即第7步骤(S7)，以与至少一个预定的磨损阈值相比较(步骤S8)。根据该比较的结果，可以显示该轴承是磨损还是完好。

现在，参照图2流程图，该图示出了根据本发明所述方法各个步骤的一个具体实施流程。

在该具体实施流程中，重点检测航空涡轮机轴间轴承内的滚柱轴承的磨损。例如，该轴间轴承在涡轮机内对相对高压转子旋转轴的低压转子旋转轴提供旋转支撑。

在该涡轮机中，本发明还可以用于检测滚珠轴承或滚柱轴承的磨损，上述轴承向相对于定子的单独旋转轴提供旋转支撑。

此外，以下所述的本发明具体实施方法应用于涡轮发动机的停止阶段，其是可重新启动状态，并在低速下运行。该方法还适用于涡轮机运行时任何其它可重新启动状态的低速阶段(诸如起动阶段)。

以下说明中，N1和N2分别定义了涡轮机低压轴和高压轴的转速，这些轴都是由轴承来支撑。

根据本发明该方法的第一步骤(E1)是在涡轮机停止时，确定对应涡轮机两根轴中其中一根轴的转速范围的测量周期P。

对于涡轮机来讲，测量周期P是作为高压轴的转速N2的函数来确定的，转速范围是介于每分钟几百转数级(rpm)的低阈值和每分钟几千转数(rpm)级的高阈值之间。

下一个步骤(E2)是在整个测量周期P内采集数字信号，这些信号表示低压轴和高压轴的转速N1和N2，振动数字信号γ(t)表示涡轮机各部件的加速度。

转速N1和N2是由设置于轴上的速度传感器(诸如数字转速表等)测量的。振动信号γ(t)也可以来自例如设置于涡轮机静止部件上的加速度传感器，来以常规方式提供涡轮机风扇的辅助平衡。来自速度和加速度传感器的数字信号被送到计算机，该计算机具有适合处理该类信号的软件。

实际上，一旦涡轮机停止指令测试给出一个肯定的结果(步骤E1-1)，且高压轴的转速N2低于为测量周期P所确定的高阈值时(步骤E1-2)，振动信号γ(t)的采集就开始了。高压轴的转速N2一旦低于此前确定的低阈值时，振动信号γ(t)的采集即停止(步骤E2-1)。

下面的步骤(E3)是采用相应的软件来计算时间函数f(t)，该时间函数对应高压轴的转速N2和低压轴的转速N1之差。该函数f(t)用于计算低通滤波器的断开频率，该低通滤波器在随后的步骤中用于信号采样。

图3示出了涡轮机处于停止状态时的涡轮机高压轴和低压轴的转速N2和N1的曲线。该图还示出了对应该两种转速之差f(t)的曲线N2-N1。

在步骤E4中，将带有对应f(N2-N1)断开频率的低通滤波器应用到振动信号γ(t)上。该低通滤波器的使用可消除涡轮机的一小部分基础频率及其谐波。

接下来的步骤(E5)是对以下数字信号进行采样，以作为f(t)的函数(即，测量周期P内两根轴转速之差(N2-N1)的函数)：之前滤波过的振动信号γ(t)；表示时间的信号；以及表示转速N1和N2的信号。这种采样用于产生信号，该信号就(N2-N1)的阶次而言，其分辨率(resolution)是恒定的。

在上述采样的基础上，下一步骤(E6)是(应用傅立叶变换)将采样的振动信号转换成频率信号，从而获得以函数N2-N1为阶次的频谱线。这就等于建立了显示以(N2-N1)的倍数为阶次的振动频率的频谱图。图4示出了涡轮机的这种频谱图(以“峰值-g”(pg)表示)，同时，高压轴的转速N2从每分钟几千转(rpm)降到每分钟几百转(rpm)。

所属领域的技术人员都非常了解步骤E5和E6的信号采样和通过频率转换的频谱图的形成，因此，在此就不再详细描述了，因为这些都是由计算机运行的计算软件来完成的。

然后，在步骤E7中，计算频谱图中频谱线幅度的平均值。图5示出了按照图4所示频谱图计算平均值的结果。在图5中，可以看出，幅度峰值对应频谱图的水平线。结果，不是以函数N2-N1为阶次的部分就会因平均效应而被衰减，从而可以显示以函数N2-N1为阶次的特征，例如轴间轴承的磨损。

从计算平均值和之前计算受损滚柱的理论频率F_theo(步骤E7-1)开始，在受损滚柱的理论频率F_theo的倍数附近的幅度峰值在步骤E8中被确定。这些幅度峰值代表了轴承的磨损程度。

受损滚柱的理论频率F_theo的倍数可以是F_theo的偶整数倍数，如图5所示(在图5中，由水平虚线表示的频率是理论频率F_theo的偶数倍)。另外，这些倍数可以是非整数倍数和/或理论频率的奇数倍数。

作为轴间轴承，受损滚柱的理论频率F_theo通过应用下式计算：

F_theo＝(D/(2d))(N2-N1)(1-(d/D)²)

式中，D是轴承的标称直径，d是滚柱的直径，N1和N2分别是两根轴的转速。

通常，轴承磨损的理论频率是随轴承的几何形状、滚动元件的数量以及轴的转速而变化的函数。所属领域的技术人员都非常熟悉这种计算方式。

然后，计算以这种方式确定的每个幅度峰值与由完好轴承确定的幅度级之间的比率R(步骤E9)，将该比率R与至少一个预定磨损阈值(例如等于1)进行比较，以确定该轴承是否损坏。

为此，根据对各种不同的完好发动机和在试验中对各种不同的采集数值进行平均值估算，来确定完好轴承的幅度级。关于磨损阈值，其是通过对受损轴承进行试验，或是与拟确定阈值相似的受损轴承的经验来确定的。

本发明的一个有利的设置是在步骤E9-1中，幅度峰值和完好轴承的幅度级之间的比率R首先与低磨损阈值S_low(例如，等于3)进行初步比较，然后在步骤E9-2中，再与高磨损阈值S_hi(例如，等于10)进行比较。如果比率R小于低阈值S_low，即认为该轴承为完好轴承。相反，如果比率R大于S_low，则认为该轴承已经磨损。为了确定磨损程度，再将比率R与高磨损阈值S_hi进行比较：如果比率小于S_hi，即认为该轴承轻微磨损；如果比率R大于S_hi，则认为该轴承已经严重磨损。

图6A到6C示出了如何应用这种有利的设置。这些图表示出了根据本发明的所述方法对受损轴承在耐久测试的不同阶段获得的结果。它们显示了与图5所示相似的根据频谱图进行的平均计算值，该频谱图是采用上述步骤在对涡轮机轴间轴承进行耐久测试的不同阶段形成的。

在图6A中，受损滚柱理论频率的偶倍数附近的水平线的幅度峰值与完好滚柱确定的幅度级之间的比率R_A小于低磨损阈值S_lo。因此以这种方式分析的轴承被认为是良好状态的轴承。

在图6B中，幅度峰值和完好轴承确定的幅度级之间的比率R_B大于低磨损阈值S_low，但小于高磨损阈值S_hi。那么，这种轴承则被认为是轻微磨损(也可以被看作是耐久测试开始时的轴承磨损)。

最后，在图6C中，幅度峰值和完好轴承确定的幅度级之间的比率R_C大于低磨损阈值S_low，且同时也大于高磨损阈值S_hi。那么，该轴承则被认为是严重磨损(也可以被视作是持续运行结束时的轴承磨损)。

显然，可以设想，将比率R与大于2的一些磨损阈值进行比较，以进一步确定轴承所遭受的磨损程度。

Claims (5)

1.一种检测轴承损坏的方法，该轴承对发动机的至少一个旋转轴提供旋转支撑，该方法的特征在于，包括如下步骤：

a)确定(S1)测量周期，该周期对应发动机低速可重新运转期间的轴的转速范围；

b)在整个测量周期内，获取(S2)代表发动机各部件的加速度的振动信号；

c)在测量周期内，对作为轴的转速的函数的振动信号进行采样(S3)；

d)将采样的振动信号转换(S4)为频率信号，以获得作为轴的转速的函数的频谱线；

e)计算(S5)谱线幅度的平均值；

f)确定(S6)受损滚柱理论频率的倍数附近的幅度峰值；

g)计算(S7)每个幅度峰值和完好轴承确定的幅度级之间的比率；

h)将所获得的比率与至少一个预定磨损阈值进行比较(S8)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤h)是将所获得的比率与低磨损阈值进行比较(S8)，如果比率大于低磨损阈值，还将其与高磨损阈值进行比较，以确定轴承可能损坏的程度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，选择用于确定测量周期的发动机低速可重新启动状态是对应发动机的起动阶段或停止阶段。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该轴承支撑发动机的两根旋转轴；

测量周期对应发动机低速运行时两根轴的其中一根轴的转速范围；

采样振动信号，该振动信号是测量周期内两根轴的转速之差的函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤f)是确定(S6)受损滚柱理论频率的偶整数倍数附近的幅度峰值。

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