CN101799844A - 基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，包括以下几个步骤，步骤一：构建直升机齿轮箱的三维模型；步骤二：建立直升机齿轮箱有限元模型；步骤三：对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析；步骤四：对直升机齿轮箱有限元模型进行谐响应分析；步骤五：确定直升机齿轮箱振动传感器的安装位置；本发明对于现有的齿轮箱可以快速精确的确定振动传感器的最佳布置位置，对于设计中的齿轮箱，预留传感器安装位置也将起到指导作用，本发明对于充分获取齿轮箱早期故障信号，进行早期故障诊断有重要意义。

Description

基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法
技术领域
本发明涉及一种确定振动传感器安装位置方法，特别是一种基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，属于直升机齿轮箱振动故障诊断技术领域。
背景技术
自1991年，第一架装有认证健康和使用监测***(Health&Usage MonitoringSystem，HUMS)的直升机问世以来，在世界各国，越来越多的直升机装有HUMS，而振动传感器是直升机使用与监测***(HUMS)的重要部件。目前很多文献对于齿轮箱振动传感器的安装位置并没有明确的说明，但普遍认为振动传感器的安装应该尽量靠近轴承的位置。测量径向振动时，振动传感器普遍安装于轴承座的外侧与轴承轴线平行的位置，测量轴向振动时，振动传感器才安装在轴承座的端面与轴承轴线垂直的位置。究其原因就是希望振动传感器安装的位置振动能量衰减最少。有研究表明由齿轮振动产生的能量传递到轴承座表面时峰值能量已经减少到最初峰值能量的0.01％，因此应该充分监测0.01％振动能量，此时传感器的位置选择至关重要。有国外文献通过试验也表明振动传感器的安装位置对测量的振动信号具有明显的影响，安装位置的微小变化都会导致获得信号发生变化，因此单纯通过试验的方法很难确定振动传感器的最佳安装位置。美国研究人员在AH-64A直升机上，用模态试验的办法，来验证所装振动传感器的位置是否合适，但是模态试验往往很难激发设备的高阶模态，而且试验成本高昂。
目前对于直升机齿轮箱故障诊断的难点之一就是如何对齿轮箱的早期故障作出判断。直升机齿轮箱早期故障时，故障信号非常微弱，导致这些微弱的信号常常湮没在噪声信号中。解决的办法有两个途径，一是尽量充分的获得早期的故障信号，通过选择最佳的传感器安装位置，以及使用更敏感的振动传感器来实现；二是采用各种信号处理的方法对获得的信号进行处理，消除噪声，以获得故障信息。
目前技术的缺点：根据经验确定振动传感器安装位置，不能保证所选取的安装位置就是最佳的安装位置，当工作频率发生变化后，振动传感器所在位置有可能振幅会突然变小。因此有必要根据工作频率来确定振动传感器的最佳安装位置。而采用模态测试的办法来确定振动传感器的安装位置，费时费力，成本高昂，而且由于高阶模态很难激发，得到的结果往往不能满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，通过比较直升机齿轮箱允许安装振动传感器位置在工作频段的谐响应振动幅值大小，来选择最佳的振动传感器安装位置，使得安装在最佳位置的振动传感器，对齿轮箱故障最敏感。
本发明的一种基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，包括以下几个步骤：
步骤一：构建直升机齿轮箱的三维模型；
利用三维建模软件，构建直升机齿轮箱的高精度三维实体模型；
步骤二：建立直升机齿轮箱有限元模型；
将步骤一中构建的直升机齿轮箱的三维模型导入到有限元分析软件中，根据直升机齿轮箱的实际情况，设定直升机齿轮箱的材料属性参数，并对三维模型划分有限元网格，添加位移约束，最后得到直升机齿轮箱的有限元模型；
步骤三：对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析；
得到了直升机齿轮箱的有限元模型后，对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析，获取有限元模型S阶固有频率及模态，其中模态阶数S≥6；
步骤四：对直升机齿轮箱有限元模型进行谐响应分析；
对步骤三中进行模态分析后的模型进行谐响应分析，根据直升机齿轮箱的真实受力情况，选取齿轮箱的振动激励点，对振动激励点施加正弦激励，激励的频率范围至少包括[fZ-fn，2fZ+fn]，其中，fZ为直升机齿轮啮合频率的1倍频，fn为所监测齿轮的转频；
对模型上所有点在激励的频率范围内进行谐响应分析，得到各个点的谐响应结果；
步骤五：确定直升机齿轮箱振动传感器的安装位置；
在直升机齿轮箱有限元模型上，选取典型节点，根据步骤四得到的谐响应结果，获取直升机齿轮箱有限元模型谐响应时典型节点的振动幅值，在工作频段对各个典型节点的振幅进行比较，振幅最大的典型节点就是振动传感器的最佳布置位置，将振动传感器安装在此位置。
本发明的优点在于：
(1)本发明能够对已有的设备确定最佳的振动传感器安装位置，也能够在设计新设备时通过本发明对振动传感器安装位置进行预留。
(2)本发明确定的最佳的振动传感器安装位置充分获取齿轮箱早期故障信号，进行早期故障诊断有重要意义，更加有效的检测直升机齿轮箱的早期故障。
(3)本发明利用三维建模软件的优势，建立精确的直升机齿轮箱模型，避免了在有限元软件复杂模型建模方面的缺憾。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明实施例中直升机中减速器齿轮箱三维模型示意图；
图3是本发明实施例中直升机中减速器齿轮箱有限元模型示意图；
图4是本发明实施例中有限元模型激励点位置示意图；
图5是本发明实施例中典型节点位置示意图；
图6是本发明实施例中典型节点的谐响应振动幅值示意图；
图7是本发明图6中2450Hz到2700Hz的局部放大示意图；
图8是本发明图6中5050Hz到5250Hz的局部放大示意图。
图中：
1-第一典型节点    2-第二典型节点    3-第三典型节点
4-第四典型节点    5-第五典型节点    6-激励点
7-支脚
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤一：构建直升机齿轮箱的三维模型；
利用三维建模软件，构建直升机齿轮箱的高精度三维实体模型，三维建模软件可以使用ANSYS Workbench，Pro/E，UG，SolidWorks等；
步骤二：建立直升机齿轮箱有限元模型；
将步骤一中构建的直升机齿轮箱的三维模型导入到有限元分析软件中，所述的有限元分析软件可以为ANSYS等，根据直升机齿轮箱的实际情况，设定直升机齿轮箱的材料属性参数，参数包括密度、弹性模量和泊松比，并对三维模型划分有限元网格，添加位移约束，最后得到直升机齿轮箱的有限元模型。
步骤三：对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析；
得到了直升机齿轮箱的有限元模型后，可以在有限元软件中，对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析，获取有限元模型S阶固有频率及模态，其中模态阶数S≥6，S根据实际情况选取，取值越大，模态阶数越高，进行谐响应分析的结果越精确。
步骤四：对直升机齿轮箱有限元模型进行谐响应分析；
对步骤三中进行模态分析后的模型进行谐响应分析，根据直升机齿轮箱的真实受力情况，选取齿轮箱的振动激励点，对振动激励点施加正弦激励，激励的频率范围至少包括[fZ-fn，2fZ+fn]，其中，fZ为直升机齿轮啮合频率的1倍频，fn为所监测齿轮的转频，激励的频率范围的确定跟所选用的振动传感器的频宽有关，在振动传感器的频宽范围内，可以选取高于啮合频率2倍频的频宽，所以，当振动传感器的频宽范围大于啮合频率2倍频的频宽，当振动传感器的频宽范围为nfZ时，n＞2，激励频率范围为[fZ-fn，nfZ+fn]，由于齿轮箱故障时，有可能在高倍频处也出现以转频为间隔的边频带，因此，确定激励的频率范围时，包括高倍频及其边频带，考虑高倍频及其边频带的谐响应，对于最终确定最佳传感器安装位置是有益的。
对模型上所有点在激励的频率范围内进行谐响应分析，得到各个点的谐响应结果。
步骤五：确定直升机齿轮箱振动传感器的安装位置；
在直升机齿轮箱有限元模型上，选取典型节点，根据步骤四得到的谐响应结果，获取直升机齿轮箱有限元模型谐响应时典型节点的振动幅值，在工作频段对各个典型节点的振幅进行比较，振幅最大的典型节点就是振动传感器的最佳布置位置，将振动传感器安装在此位置。最佳的振动传感器安装位置充分获取齿轮箱早期故障信号，进行早期故障诊断有重要意义，更加有效的检测直升机齿轮箱的早期故障。
所述的典型节点是指的是现有技术中允许直升机齿轮箱上安装振动传感器的节点位置。由于振动传感器的安装需要满足一定的条件，例如齿轮箱的平面度、振动传感器本身的安装不能够影响齿轮箱的运行等等，所以齿轮箱上允许安装振动传感器的位置是有限的，这些节点位置就是典型节点。
所述的工作频段指的是包含齿轮啮合频率及以齿轮转频间隔为其边频的频率段。
实施例：
步骤一：在ANSYS WORKBENCH中绘制高精度完整的直升机中减速器齿轮箱三维实体模型，绘制好的齿轮箱实体模型如图2所示。
步骤二：将用ANSYS WORKBENCH绘制的直升机减速器齿轮箱三维实体模型导入ANSYS，通过菜单操作来设定材料属性密度7850Kg/m3、弹性模量2.0x1011Pa、泊松比0.3，并划分有限元网格，对直升机中减速器四个支脚7添加三维零位移约束，划分网格、添加位移约束后，得到有限元模型如图3所示。
步骤三：对有限元模型进行模态分析，模态阶数S选取20，直升机中减速器齿轮箱前20阶模态固有频率如表1所示。
表1直升机中减速器齿轮箱前20阶模态固有频率
  模态阶数   固有频率   模态阶数   固有频率
  1   188.79   11   1634.0
  2   204.86   12   1734.5
  3   281.16   13   1855.4
  4   407.78   14   1868.3
  5   454.97   15   1929.5
  6   668.32   16   2093.5
  7   890.09   17   2157.0
  8   919.84   18   2375.3
  9   1248.5   19   2378.5
  10   1254.9   20   2613.0
步骤四：对直升机齿轮箱进行谐响应分析。如图4所示，根据实际情况，确定齿轮箱的激励位置为激励点6，并且对激励点6施加正弦激励，方向如图中箭头所示，实施例中的直升机中减速器的输入齿数34，转速4542rpm，因此啮合频率1倍频为2573.8Hz，2倍频为5147.6Hz，转频为75.7Hz。因此取正弦激励的频宽为2200到5600Hz，频宽包括了啮合频率的1倍频、2倍频和以转频间隔为边频的频宽。
步骤五：选取典型节点，典型节点包括实际情况中振动传感器可能的安装位置，如图5所示，本实施例中选取了五个典型节点，分别为第一典型节点1、第二典型节点2、第三典型节点3、第四典型节点4和第五典型节点5，通过步骤四得到第一典型节点1至第五典型节点5的谐响应曲线如图6所示，第一典型节点1至第五典型节点5在2450Hz至2700Hz，即1倍频处的谐响应的振动幅值如图7所示，第一典型节点1至第五典型节点5在5050Hz至5250Hz，即2倍频处的谐响应的振动幅值图8所示。
由图7可以看出，在啮合频率1倍频处，2450Hz到2700Hz范围内，距离激励点6较近位置的第一典型节点1振动幅值明显较大，而在啮合频率2倍频处，5050Hz到5250Hz频带内，各典型节点振动幅值相差不大，所以最后确定第一典型节点1为振动传感器的最佳安装位置。

Claims (6)

1.基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，包括以下几个步骤：
步骤一：构建直升机齿轮箱的三维模型；
利用三维建模软件，构建直升机齿轮箱的高精度三维实体模型；
步骤二：建立直升机齿轮箱有限元模型；
将步骤一中构建的直升机齿轮箱的三维模型导入到有限元分析软件中，根据直升机齿轮箱的实际情况，设定直升机齿轮箱的材料属性参数，并对三维模型划分有限元网格，添加位移约束，最后得到直升机齿轮箱的有限元模型；
其特征在于，还包括以下步骤：
步骤三：对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析；
得到了直升机齿轮箱的有限元模型后，对直升机齿轮箱有限元模型进行模态分析，获取有限元模型S阶固有频率及模态，其中模态阶数S≥6；
步骤四：对直升机齿轮箱有限元模型进行谐响应分析；
对步骤三中进行模态分析后的模型进行谐响应分析，根据直升机齿轮箱的真实受力情况，选取齿轮箱的振动激励点，对振动激励点施加正弦激励，激励的频率范围至少包括[fZ-fn，2fZ+fn]，其中，fZ为直升机齿轮啮合频率的1倍频，fn为所监测齿轮的转频；
对模型上所有点在激励的频率范围内进行谐响应分析，得到各个点的谐响应结果；
步骤五：确定直升机齿轮箱振动传感器的安装位置；
在直升机齿轮箱有限元模型上，选取典型节点，根据步骤四得到的谐响应结果，获取直升机齿轮箱有限元模型谐响应时典型节点的振动幅值，在工作频段对各个典型节点的振幅进行比较，振幅最大的典型节点就是振动传感器的最佳布置位置，将振动传感器安装在此位置。
2.根据权利要求1所述的基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，其特征在于，步骤二中所述的材料属性参数包括密度、弹性模量、泊松比。
3.根据权利要求1所述的基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，其特征在于，步骤三中所述的模态阶数S根据实际情况选取，取值越大，模态阶数越高，进行谐响应分析的结果越精确。
4.根据权利要求1所述的基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，其特征在于，步骤四中所述的激励频率范围的选取方法是当振动传感器的频宽范围为nfZ时，n＞2，激励频率范围为[fZ-fn，nfZ+fn]。
5.根据权利要求1所述的基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，其特征在于，步骤五中所述的典型节点是指直升机齿轮箱上允许安装振动传感器的节点位置。
6.根据权利要求1所述的基于故障频率敏感的直升机齿轮箱振动传感器布置方法，其特征在于，步骤五中所述的工作频段是指包含齿轮啮合频率及以齿轮转频间隔为其边频的频率段。
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