專利名稱：一種檢測發(fā)動機軸承損壞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)測軸承內(nèi)磨損程度的一般領(lǐng)域，該軸承可提供發(fā)動機至少一個旋 轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)支撐，例如航空渦輪發(fā)動機的軸間軸承。
背景技術(shù)：
滾動軸承(滾珠軸承或滾柱軸承)普遍用于航空領(lǐng)域，特別用于對渦輪發(fā)動機 高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的軸提供旋轉(zhuǎn)支撐。渦輪機軸承的磨損情況需要進行監(jiān)測，以盡早發(fā)現(xiàn)軸承的磨損，以預(yù)測軸承的 斷裂或嚴(yán)重故障。其中一種已知的渦輪機軸承磨損監(jiān)測方法是基于如下原理，即，軸承磨損的頻 率與軸承所支撐的軸或多個軸的,成正比，該頻率在渦輪機各部件中以振動形式 傳播。所以，該方法在于探尋渦輪機高艇行時各部件中的振動級。為此，該方法 旨在整個飛行周期內(nèi)采集振動信號，該信號取自一個或多個振動傳感器，該會,檢 測渦輪機各部件的振動情況。然后，當(dāng)確認(rèn)振動級高于表示軸承良好狀態(tài)的預(yù)定閾值時，即可檢測軸承的磨損情況，li^卜，為了進《豫種檢測，人們已經(jīng)確定了一種 通用系數(shù)。例如，可以參考?xì)W洲專利申請EP1 111364，其介紹了這種方法的實施。 然而，經(jīng)m磨損軸承的試驗表明，采用這種方法并不總能檢測到軸承磨損。 來自振動傳繊的測量結(jié)果在渦輪機高速運行時，經(jīng)常受到自然振動情況的"污染" (it燒室噪聲、航空動力流造成的噪聲、高壓軸和低壓軸轉(zhuǎn)動速度的無數(shù)諧波的影 響等)，這就造成了辨識表示磨損特征的振動級的難度。發(fā)明內(nèi)容為此，本發(fā)明的主要目的是為了M4、上述缺陷，提出一種育餱可靠檢測軸承磨 損情況的方法，該軸承可向發(fā)動機的至少一個旋轉(zhuǎn)軸樹共旋轉(zhuǎn)支撐。 根據(jù)本發(fā)明，該目的由下述方法實現(xiàn)，其包括a) 確定測量周期，該周期對應(yīng)發(fā)動機低速可重新運轉(zhuǎn)期間的軸的轉(zhuǎn)速范圍；b) 在齡觀糧周期內(nèi)，獲取代表發(fā)動機各部件加速度的振動信號；c) 在測量周期內(nèi)，對作為軸的,的函數(shù)的振動信號進行采樣；d) 將采樣的振動信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，以獲得作為軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的頻譜線;e) 計算譜線幅度的平均《直；f) 確定受損滾柱的理論頻率的倍數(shù)附近的幅度峰值；g) 計算每個幅度峰值和完好軸承確定的幅度級之間的比率；h) 將所獲得的比率與至少一個預(yù)定磨損閾值進行比較。本發(fā)明所提出的這種方法的特點非常突出，特別是，它可以在發(fā)動機低速可重 新啟動期間獲得并處理振動信號。這樣，噪聲所形成的振動環(huán)境就降低了 (例如， 在渦輪機內(nèi)，與燃燒和航空動力流相關(guān)的噪聲很小)，從而提高了檢領(lǐng)啲可靠性。此 外，人們還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，表示軸承磨損特征的理論頻率要小于其 高速運轉(zhuǎn)時的頻率，這就是說，在發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，可以觀察到的軸承磨損 要多于發(fā)動機高軀轉(zhuǎn)時可觀察至啲麵。因此，軸承的受損情況就可以盡早得以 發(fā)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個有利特性，戰(zhàn)第h)步驟是將所獲得的比率與低受損閾值 比較，如果比率大于低受損閾值，還將其與高受損閾值進行比較，以確定軸承可能 損壞的程度。選擇用于確定測量周期的發(fā)動機低速的可重新啟動狀態(tài)，應(yīng)發(fā)動機的起動階段或停止階段。起動和停止階m應(yīng)發(fā)動機的低速運行，而且是可重新啟動的。特別是，在渦輪,動或停止期間應(yīng)用本發(fā)明所提出的方法可以提供許多附加優(yōu)點 在這些階段期間，軸承的松弛趨于擰緊，為此，放大了軸承的磨損表征，這樣，更 容易發(fā)現(xiàn)軸承受損情況，該方法的實施成本更低，而且可以根據(jù)要求進行實施，例 如，可以進行一次渦輪機的緊急中斷起動。本發(fā)明所提出的方法可以應(yīng)用于向發(fā)動機兩個旋轉(zhuǎn)軸鵬旋轉(zhuǎn)支撐的軸承。在 這些情況下，測量周期對應(yīng)發(fā)動機低艇行時其中一個軸的魏范圍，振動信號的 采樣可以根據(jù)湖糧周期內(nèi)兩個軸的,之差的變化情況鄉(xiāng)行。步驟f)是確定受損滾柱理論頻率的整數(shù)倍數(shù)附近的幅度峰〈直。


參照附圖，并結(jié)合如下說明，可以更好地理解本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點，但本 發(fā)明并不僅限于附圖給出的實施例，附圖中-圖1為根據(jù)本發(fā)明所提出方法的實施步驟示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明所提出方法的步驟流程圖，用于檢測航空渦輪發(fā)動機軸間滾 動軸承的磨損；圖3到6A-6C為示出了圖2流程圖的應(yīng)用示例的圖表。
具體實施方式
參看圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明所提出方法的各個步驟，用于檢測向發(fā)動機 的至少一個旋轉(zhuǎn)軸提供旋轉(zhuǎn)支撐的滾動軸承的磨損情況。一棘講，本發(fā)明應(yīng)用于任何類型的發(fā)動機，該發(fā)動機具有至少一個旋轉(zhuǎn)軸和至少一個滾動軸承，而且該發(fā)動mias可在低速下(起動階段、停止階段、空轉(zhuǎn)、低速循環(huán)階段等)呈可重新啟動狀態(tài)(renewable activity)。這類發(fā)動機可以包括固定翼飛機^ti:升機燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(簡稱渦輪機)、地面燃?xì)獍l(fā)動機、齒輪箱、軸向發(fā)動機等。本發(fā)明所基于的原理就是，軸承磨損所產(chǎn)生的頻率與由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn) 速成正比。假設(shè)該頻率通過發(fā)動機的各部件本身的振動會傳遞到加速度傳自上， 特別是，這些部件以基本頻率振動。根據(jù)本發(fā)明該方法的第一步(S1)，是確定測量周期P，該周期P與軸在發(fā)動機 低速時的可重新啟動狀態(tài)期間的自N范圍相對應(yīng)。下面一個步驟(S2)是在 ^測量周期P采集表示發(fā)動機各部件加速度的振動 信號y (t)。該信號來自此前安裝在發(fā)動機某個靜止部件上的加速度傳感器(例如加 速度計或應(yīng)變儀(strain gauge))。隨后，在第三步驟S3期間的測量周期P內(nèi)，根據(jù)軸的轉(zhuǎn)速N變化情況，采集 振動信號Y (t)。第四步驟(S4)是將采樣的振動信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，以獲得以軸的,N為 階7欠的頻譜線(foquency spectrum lines),其與公開的N階次的頻譜圖(spectrogram)相一致。然后，計算頻譜線幅度的時間平均值(步驟S5)，并査找在磨損軸承的理ifcM 率Fto的倍數(shù)附近的幅度峰值(amplitude peaks) (S6)。接著，計算每個幅度峰值與完好軸承的幅度級(amplitude level)之間的比率R， 即第7步驟(S7)，以與至少一個預(yù)定的磨損閾值相比較(步驟S8)。根據(jù)該比較的結(jié)果，可以顯示該軸承是磨損還是完好?，F(xiàn)在，參照圖2流程圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明所述方法各個步驟的一個具體 實施流程。在該具體實施流程中，重點檢測航空渦輪機軸間軸承內(nèi)的滾柱軸承的磨損。例 如，該軸間軸承在渦輪機內(nèi)對相對高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸掛共旋轉(zhuǎn)支撐。在該渦輪機中，本發(fā)明還可以用于檢測滾珠軸承或滾柱軸承的磨損，M軸承 向相對于定子的單獨旋轉(zhuǎn)軸提供旋轉(zhuǎn)支撐。此外，以下所述的本發(fā)明具體實施方法應(yīng)用于渦輪發(fā)動機的停止階段，其是可 重新啟動狀態(tài)，并在低速下運行。該方法腿用于渦輪t腿行時任何其它可重新啟 動狀態(tài)的低速階段(諸如起動階段)。以下說明中，N1和N2分別定義了渦輪機低壓軸和高壓軸的,，這些軸都是 由軸承來支撐。根據(jù)本發(fā)明該方法的第一步驟(El)是在渦輪機停止時，確定對應(yīng)渦輪機兩根 軸中其中一根軸的,范圍的測量周期P。對于渦輪IW講，測量周期P是作為高壓軸的魏N2的函數(shù)來確定的，繊 范圍是介于每^H中幾百轉(zhuǎn)數(shù)級(rpm)的低閾《直和每^H巾幾千轉(zhuǎn)數(shù)(ipm)級的高閾 值之間。下一個步驟(E2)是在旨測量周期P內(nèi)采集數(shù)字信號，這對言號表示低壓軸 和高壓軸的,N1和N2，振動數(shù)字信號y (t)表示渦輪機各部件的加速度。轉(zhuǎn)速N1和N2是由設(shè)置于軸上的速度傳 (諸如數(shù)字,表等)測量的。振 動信號Y (t)也可以來自例如設(shè)置于渦輪機靜止部件上的加皿傳感器，來以常規(guī) 方式提供渦輪機風(fēng)扇的輔助平衡。來自速度和加速度傳,的數(shù)字信號被送到計算 機，該計算機具有適合處理該類信號的軟件。實際上， 一旦渦輪機停止指令測試給出一個肯定的結(jié)果(步驟El-O，且高壓 軸的皿N2低于為測量周期P所確定的高閾值時(步驟El-2)，振動信號Y (t)的 采集就開始了。高壓軸的繊N2—旦低于此前確定的低閾值時，振動信號Y (t) 的采集即停止(步驟E2-1)。下面的步驟(E3)是采用相應(yīng)的軟件來計算時間函數(shù)f (t),該時間函W"應(yīng) 高壓軸的轉(zhuǎn)速N2和低壓軸的,N1之差。該函數(shù)f (t)用于計算低通纟麼波器的斷 開頻率，該低通濾波器在隨后的步驟中用于信號采樣。圖3示出了渦輪機處于停止?fàn)顟B(tài)時的渦輪機高壓軸和低壓軸的,N2和Nl 的曲線。該圖還示出了對應(yīng)該兩種轉(zhuǎn)速之差f (t)的曲線N2-N1。在歩驟E4中，將帶有對應(yīng)f (N2-Nl)斷開頻率的低通熗波器應(yīng)用到振動信號 Y (t)上。該低通濾波器的使用可消除渦輪機的一小部分基礎(chǔ)頻率及其諧波。接下來的步驟(E5)是對以下數(shù)字信號進行采樣，以作為f (t)的函數(shù)(即， 測量周期P內(nèi)兩根軸f^I之差(N2-N1)的函數(shù))之前濾波過的振動信號Y (t); 表示時間的信號；以及^轉(zhuǎn)速N1和N2的信號。這種采樣用于產(chǎn)生信號，該信號 就(N2-Nl)的階次而言，其分辨率(resolution)是恒定的。在上述采樣的基礎(chǔ)上，下一步驟(E6)是(應(yīng)用傅立葉變換)將采樣的振動信 號轉(zhuǎn)換成頻率信號，從而獲得以函數(shù)N2-N1為階次的z頻譜線。這就等于建立了顯示 以(N2-N1)的倍數(shù)為階次的振動頻率的頻譜圖。圖4示出了渦輪機的這種頻譜圖 (以"峰值-g" (pg)表示)，同時，高壓軸的魏N2從每^H中幾千轉(zhuǎn)(rpm)降到 每^H巾幾百轉(zhuǎn)(rpm)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員都非常了解步驟E5和E6的信號采樣和通過頻報換的頻 譜圖的形成，因此，在此就不再詳細(xì)描述了，因為這些都是由計^^腺行的計算軟 件來完成的。然后，在步驟E7中，計算頻譜圖中頻譜線幅度的平均值。圖5示出了按照圖4 所示頻譜圖計算平均值的結(jié)果。在圖5中，可以看出，幅度峰值對應(yīng)頻譜圖的水平 線。結(jié)果，不是以函數(shù)N2-N1為階次的部分就會因平均效應(yīng)而被衰減，從而可以顯 示以函數(shù)N2-N1為階次的特征，例如軸間軸承的磨損。從計算平均值和之前計算受損滾柱的理論頻率Ftto (步驟E7-1)開始，在受損 滾柱的理論頻率的倍數(shù)附近的幅度峰值在步驟E8中被確定。這些幅度峰值代 表了軸承的磨損程度。受損滾柱的理論頻率Fto的倍數(shù)可以是Fheo的偶S^咅數(shù)，如圖5所示(在圖 5中，由水平虛線表示的頻率是理論頻率Fto的偶數(shù)倍)。另外，這對咅數(shù)可以是非 整IW咅數(shù)和/或理論頻率的奇數(shù)倍數(shù)。作為軸間軸承，受損滾柱的理論頻率Ftto通過應(yīng)用下式計算Ftheo= (D/ (2d))(N2-N1)(1- (d/D) 2)式中，D是軸承的標(biāo)稱直徑，d是滾柱的直徑，N1和N2分別是兩根軸的轉(zhuǎn)速。 通常，軸承磨損的理論頻率是隨軸承的幾何皿、滾動元件的數(shù)量以及軸的轉(zhuǎn)速而變化的函數(shù)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員都非常熟悉這種計算方式。然后，計算以這種方式確定的*幅度峰值與由完好軸承確定的幅度級之間的比率R (步驟E9)，將該比率R與至少一個預(yù)定磨損閾值(例如等于l)進行比較，以確定該軸承是否損壞。為此，根據(jù)對各種不同的完好發(fā)動機和在試驗中對各種不同的采集數(shù)值進行平均值估算，來確定完好軸承的幅度級。關(guān)于磨損閾值，其是通iW受損軸鄉(xiāng)行試驗，或是與擬確定閾值相似的受損軸承的經(jīng)驗來確定的。本發(fā)明的一個有禾啲體是在步驟E9-1中，幅度峰值和完好軸承的幅度級之間 的比率R首先與低磨損閾值S,。w (例如，等于3)進行初歩比較，然后在步驟E9-2 中，再與高磨損閾值Sw (例如，等于IO)進行比較。如果比率R小于低閾值S^， 即認(rèn)為該軸承為完好軸承。相反，如果比率R大于S^，則認(rèn)為該軸承己經(jīng)磨損。 為了確定磨損程度，再將比率R與高磨損閾值SM進行比較如果比率小于Sw，即 認(rèn)為該軸承輕微磨損；如果比率R大于Shi，貝ij認(rèn)為該軸承已經(jīng)嚴(yán)重磨損。圖6A到6C示出了如何應(yīng)用這種有利的設(shè)置。這些圖表示出了根據(jù)本發(fā)明的所 述方法對受損軸承在耐久測試的不同階段獲得的結(jié)果。它們顯示了與圖5所示相似 的根據(jù)頻譜圖進行的平均計算f直，該頻譜圖^用上述步驟 渦輪機軸間軸 行耐久測試的不同階段形成的。在圖6A中，受損滾柱理論頻率的偶倍數(shù)附近的水平線的幅度峰值與完好滾柱 確定的幅度級之間的比率RA小于低磨損閾值Sto。因此以這種方式分析的軸承被認(rèn) 為是良好狀態(tài)的軸承。在圖6B中，幅度峰值和完好軸承確定的幅度級之間的比率RB大于低磨損閾值 S一但小于高磨損閾值Shi。那么，這種軸承則被認(rèn)為是輕微磨損(也可以被看作是 耐久測試開始時的軸承磨損)。最后，在圖6C中，幅度峰值和完好軸承確定的幅度級之間的比率Rc大于低磨 損閾值S一且同時也大于高磨損閾值Shi。那么，該軸承則被認(rèn)為是嚴(yán)重磨損(也可以被視作是持續(xù)運行結(jié)束時的軸承磨損)。顯然，可以設(shè)想，將比率R與大于2的一些磨損閾值進行比較，以進一步確定 軸承^f受的磨損f，。
權(quán)利要求
1、一種檢測軸承損壞的方法，該軸承對發(fā)動機的至少一個旋轉(zhuǎn)軸提供旋轉(zhuǎn)支撐，該方法的特征在于，包括如下步驟a)確定(S1)測量周期，該周期對應(yīng)發(fā)動機低速可重新運轉(zhuǎn)期間的軸的轉(zhuǎn)速范圍；b)在整個測量周期內(nèi)，獲取(S2)代表發(fā)動機各部件的加速度的振動信號；c)在測量周期內(nèi)，對作為軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的振動信號進行采樣(S3)；d)將采樣的振動信號轉(zhuǎn)換(S4)為頻率信號，以獲得作為軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的頻譜線；e)計算(S5)譜線幅度的平均值；f)確定(S6)受損滾柱理論頻率的倍數(shù)附近的幅度峰值；g)計算(S7)每個幅度峰值和完好軸承確定的幅度級之間的比率；h)將所獲得的比率與至少一個預(yù)定磨損閾值進行比較(S8)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟h)是將戶7f獲得的比率與低磨 損閾值進行比較(S8)，如果比率大于低磨損閾值，還將其與高磨損閾值進行 比較，以確定軸承可能損壞的離。
3、 根據(jù)權(quán)禾腰求1或2戶誠的方法，其中，選擇用于確定觀糧周期的發(fā)動機低速 可重新啟動狀態(tài)，應(yīng)發(fā)動機的起動階段或停止階段。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項戶腿的方法，其中，該軸承支撐發(fā)動機的兩根 旋轉(zhuǎn)軸；測量周期對應(yīng)發(fā)動機低速運行時兩根軸的其中一根軸的糊范圍； 采樣振動信號，該振動信號是測量周期內(nèi)兩根軸的,之差的函數(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項戶脫的方法，其中，步驟f)是確定(S6)受 損滾柱理論頻率的偶整數(shù)倍數(shù)附近的幅度峰值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測軸承磨損的方法，該軸承支撐運行中的發(fā)動機的至少一根旋轉(zhuǎn)軸，該方法包括確定(S1)測量周期，在發(fā)動機低速的可重新啟動狀態(tài)期間，該周期對應(yīng)軸的轉(zhuǎn)速范圍；在整個測量周期內(nèi)，獲得(S2)表示發(fā)動機各部件加速度的振動信號；在測量周期內(nèi)，對作為軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的振動信號采樣(S3)；將采樣振動信號轉(zhuǎn)換(S4)為頻率信號，以獲得作為軸的轉(zhuǎn)速的函數(shù)的頻譜線；計算(S5)譜線幅度的平均值；確定(S6)受損滾柱的理論頻率的倍數(shù)附近的幅度峰值；計算(S7)每個幅度峰值和完好軸承確定的幅度級之間的比率；將所獲得的比率與至少一個預(yù)定磨損閾值進行比較(S8)。
文檔編號G01M13/00GK101266197SQ200810082778
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者塞格·布朗查德, 朱利恩·格里法東 申請人:斯奈克瑪