一种螺旋桨用基频振动信号还原方法技术

本发明专利技术公开了一种螺旋桨用基频振动信号还原方法，通过尖峰提取法，将螺钉处的电压信号提取出来。通过电涡流标定实验，将采集到的螺钉处的电压信号转换为探头与螺钉间的距离信号，再通过信赖域内点反射法将螺钉处的距离信号还原出整个圆周上的距离信号，从而得到基频振动位移信号。本发明专利技术不需要增加新的传感器，将原桨叶相位同步监测装置中的输出为开关量的转速传感器进行更换，但并不限于使用电涡流位移传感器，不论输出为数字量还是模拟量，只要能非接触测量与金属间距离的传感器均可使用；增加了振动监测功能，本发明专利技术通过信赖域内点反射法可以快速收敛得到问题的最优解，从而得到基频振动信号，为自动平衡技术提供指导。导。导。

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋桨用基频振动信号还原方法


[0001]本专利技术属于涡轮螺旋桨发动机振动监测领域，具体涉及一种基于信赖域内点反射法的螺旋桨用基频振动信号还原方法。

技术介绍

[0002]对于装有涡轮螺旋桨发动机的飞机，当飞机处于侧风，爬升，转弯，侧滑，盘旋，推/拉杆等姿态时，桨叶上所承受的升力就会从恒定载荷变成一个包含稳态分量与动态分量的载荷，升力中的动态分量随桨轴转频周期变化，每个桨叶上升力的动态分量会对桨轴产生一个变化的弯矩，称之为1P弯矩。而所有桨叶对桨轴产生的1P弯矩进行合成后的总弯矩是一个稳定的载荷，称之为螺旋桨1P弯矩。螺旋桨1P弯矩使得桨轴产生临时性弯曲，而且不同姿态下的螺旋桨1P弯矩也是不同的，所以在每种姿态下桨轴临时性弯曲程度也不同。临时性弯曲会使螺旋桨转子产生不平衡振动，针对这种情况下的振动故障，只能通过自动平衡技术来解决。
[0003]螺旋桨转子的质量不平衡主要发生在桨叶上，桨毂等的不平衡可以被忽略。螺旋桨在制造时由于各片桨叶的外形和质量分布不可能完全相同，所有桨叶重心如不在同一旋转平面内将产生动不平衡，所有桨叶总重心如不落在螺旋桨的转轴线上将产生静不平衡。大部分螺旋桨在出厂时只做静平衡，而且即使做了动平衡，在发动机运行时，桨叶变矩又会导致螺旋桨重心发生变化，以及桨叶受到气动载荷发生弹性变形时桨叶重心也会发生变化，因此即使事先已经对螺旋桨进行了平衡，在运行时依然会产生不平衡。螺旋桨转子的质量不平衡，会造成桨轴产生随转频变化的振动，针对这种情况下的振动故障，也只能通过自动平衡技术来解决。
[0004]以上两种振动故障是螺旋桨转子在运行中发生的主要故障，两种故障的振动频率都与转频相同，都需要通过自动平衡技术来降低振动幅度，从而延长发动机的寿命。但有了键相信号与基频振动信号，才可以指导自动平衡技术。
[0005]当前在某型涡轮螺旋桨发动机上已安装了一个特殊的圆盘，圆盘上有n+1个螺钉，通过一个转速传感器对其进行转速监测，将采集到的信号处理成键相信号后用于桨叶相位同步。其中，n个螺钉对应着n个桨叶的位置，前n个螺钉两两相邻360/n度，第n+1个螺钉作为特殊键相位置与第一个螺钉周向位置相隔α度，其中α<360/n。
[0006]鉴于在涡桨发动机上增加传感器不易，如果利用现有装置，即装有螺钉的圆盘和转速传感器，将其中的转速传感器更换为电涡流位移传感器，用电涡流位移传感器对特殊的圆盘进行监测，在不增加传感器的同时，就可以同时得到键相信号与基频振动信号，键相信号用于桨叶相位同步，键相信号与基频振动信号用于指导自动平衡技术，即不影响原有桨叶相位同步功能的条件下增加振动监测功能。
[0007]键相信号的获取同之前的转速传感器使用的方法一样，但振动信号只是螺钉处的振动，不能反应整个圆周的径向振动，不平衡量的位置可能不在n个螺钉处，所以需要通过螺钉处的振动信号还原出整个圆周上的基频振动信号。这是一个有约束的非线性拟合问
题，可以用信赖域内点反射法求解，该最优化算法是由THOMAS F.COLEMAN和YUYING LI提出，在信赖域法的基础上发展而来的。信赖域内点反射法将有约束最小化问题转化成了一系列的无约束最小化问题来求解，并且其收敛性好，可靠性高。

技术实现思路

[0008]针对应用到涡轮螺旋桨发动机上的自动平衡技术需要提供基频振动信号，但在已研发的涡轮螺旋桨发动机上增加新的传感器困难的问题，本专利技术提出在不增加新的传感器，不影响原有功能的条件下，将原桨叶相位同步装置中的转速传感器更换为电涡流位移传感器，并提供一种螺旋桨用基频振动信号还原方法，从而为自动平衡技术提供基频振动信号。
[0009]针对上述问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]通过尖峰提取法，将螺钉处的电压信号提取出来。通过电涡流标定实验，将采集到的螺钉处的电压信号转换为探头与螺钉间的距离信号，再通过信赖域内点反射法将螺钉处的距离信号还原出整个圆周上的距离信号，从而得到基频振动位移信号。
[0011]另外，将圆盘上的螺钉个数用具体的数字代替，这样也不失一般性。圆盘上沿圆周方向顺时针每隔60度有一个螺钉，编号为1到6号螺钉，第7号螺钉位于1号螺钉的顺时针20度处，7号螺钉作为特殊的键相。圆盘如图1所示。
[0012]具体包括以下步骤：
[0013]步骤1、用电涡流位移传感器对装有7个螺钉的圆盘采集信号(t
(0)
,y
(0)
)。其
[0014]中，t
(0)
为时间，t
(0)
＝[t
(0)0
，t
(0)1
，t
(0)2
,
…
]，y
(0)
为电压值，y
(0)
＝[y
(0)0
,y
(0)1
,y
(0)2
,
…
]。信号由时间序列与表征距离的序列组成，序列有下标与值两个属性，下同。
[0015]步骤2、利用步骤1采集到的信号(t
(0)
,y
(0)
)计算阈值u1。u1＝min(y0)+[max(y0)
‑
min(y0)]/10。其中，max(
·
)表示取最大值，min(
·
)表示取最小值。
[0016]步骤3、利用步骤1采集到的信号(t
(0)
,y
(0)
)提取螺钉处的电压信号。利用尖峰提取法提取出局部极大值信号，但可能会存在相邻的两个极大值信号是在同一个螺钉上采集到的，所以需要继续进行处理。尽量是螺钉与传感器探头正对时的信号，也就是如果相邻的两个极大值信号是在同一个螺钉上采集到的，保留大值去掉小值。
[0017]3.1利用步骤2计算出的阈值u1将步骤1得到的y
(0)
中小于等于u1的信号赋值为0，得到y
(1)
，令t
(1)
＝t
(0)
，则得到信号(t
(1)
,y
(1)
)。用尖峰提取法将y
(1)
中的局部最大值提取出来，得到y
(2)
，并且计算y
(2)
中每个信号点在y
(1)
中对应的下标I
(2)
，t
(2)
＝t
(1)
(I
(2)
)，则得到信号(t
(2)
,y
(2)
)。y
(2)
便是电涡流位移传感器在螺钉上采集到的电压信号。其中，t
(1)
(
·
)表示通过下标取t
(1)
的值，下同。
[0018]3.2设定阈值u2用于判断y
(2)
中相邻的两个信号点是否是在同一个螺钉处采集到的。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺旋桨用基频振动信号还原方法，其特征在于：通过尖峰提取法，将螺钉处的电压信号提取出来；通过电涡流标定实验，将采集到的螺钉处的电压信号转换为探头与螺钉间的距离信号，再通过信赖域内点反射法将螺钉处的距离信号还原出整个圆周上的距离信号，从而得到基频振动位移信号。2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用基频振动信号还原方法，其特征在于：将圆盘上的螺钉个数用具体的数字代替，圆盘上沿圆周方向顺时针每隔60度有一个螺钉，编号为1到6号螺钉，第7号螺钉位于1号螺钉的顺时针20度处，7号螺钉作为特殊的键相；具体包括以下步骤：步骤1、用电涡流位移传感器对装有7个螺钉的圆盘采集信号(t
(0)
,y
(0)
)；其中，t
(0)
为时间，t
(0)
＝[t
(0)0
，t
(0)1
，t
(0)2
,
…
]，y
(0)
为电压值，y
(0)
＝[y
(0)0
,y
(0)1
,y
(0)2
,
…
]；信号由时间序列与表征距离的序列组成，序列有下标与值两个属性，下同；步骤2、利用步骤1采集到的信号(t
(0)
,y
(0)
)计算阈值u1；u1＝min(y0)+[max(y0)
‑
min(y0)]/10；其中，max(
·
)表示取最大值，min(
·
)表示取最小值；步骤3、利用步骤1采集到的信号(t
(0)
，y
(0)
)提取螺钉处的电压信号；利用尖峰提取法提取出局部极大值信号，但会存在相邻的两个极大值信号是在同一个螺钉上采集到的，所以需要继续进行处理；采用螺钉与传感器探头正对时的信号，如果相邻的两个极大值信号是在同一个螺钉上采集到的，保留大值去掉小值；步骤4、利用七号螺钉特殊的位置，通过步骤3提取的(t
(3)
，y
(3)
)来计算转速，以及获取一号螺钉的位置；步骤5、对每个螺钉做标定实验，得到电涡流位移传感器对每个螺钉的灵敏度；在圆盘上装配的螺钉由于安装以及制造问题，会导致传感器对每个螺钉的响应略微不同，所以需要对每个螺钉做标定；用标定装置将圆盘放上去，将圆盘螺钉与电涡流探头正对，保持圆盘不动，将电涡流探头从与螺钉接触开始慢慢移动到探头已经感应不到螺钉为止，记录一系列的电压值和探头与螺钉的距离值，得到电压距离曲线，取曲线中间的线性段，斜率即为电涡流位移传感器对该螺钉的灵敏度；对每个螺钉都重复此标定实验，得到电涡流位移传感器对一号螺钉到七号螺钉的灵敏度α
i
，i∈[1，2，3，4，5，6，7]；步骤6、通过步骤5得到的灵敏度将电压信号(t
(3)
，y
(3)
)换算成螺钉处的距离信号；在步骤4中得到了一号螺钉信号在y
(3)
中对应的下标I
(4)
，I
(4)
＝[I
(4)0
，I
(4)1
，
…
，I
(4)r
]，其中I
(4)
有r+1个元素；根据I
(4)
，扩充出一个灵敏度序列α；步骤7、利用步骤6得到的信号(t
(4)
,y
(4)
)计算阈值u3,u4，u5；u3＝min(y
(4)
)，u4＝max(y
(4)
)，u5＝3*|max(y
(4)
)
‑
min(y
(4)
)|；步骤8、利用步骤4计算的平均角速度w定义距离信号模型；转子上的测得的距离信号是由一些简谐函数加一个直流构成的，定义模型由一些简谐函数加一个直流构成的，定义模型k大小需要针对具体的转子上的振动信号来确定；模型中的为未知参数，需要利用步骤6得到的振动信号(t
(4)
，y
(4)
)，以及步骤4计算出的平均转速w，通过信赖域内点反射法求解模型中的2k+1个未知参数；步骤9、定义距离信号模型中未知参数的上下界；步骤9、定义距离信号模型中未知参数的上下界；x表示振动信号模型的未知参数；l＝[0,0,
…
,0,
‑
2*π,
‑
2*π,
…
,
‑
2*π,u3]，l为x的下界；u＝
[u5，u5，
…
，u5，2*π，2*π，
…
，2*π，u4]，u为x的上界；步骤10、定义最优化问题；最优化问题x
*
＝argmin(f(x))，l<x<u；其中，最小二乘目标函数为f(x)，F(x)＝[g(x；t
(4)0
)
‑
y
(4)0
，
…
，g(x；t
(4)m
)
‑
y
(4)m
]
T
；步骤11、使用信赖域内点反射法求解步骤10定义的最优化问题；给定μ,η,Δ
l
,Δ
u
,γ1,γ2,x0,Δ0；其中，0<μ<η<1，0<Δ
l
<Δ
u
，γ1<1<γ2，x0∈[l，u]，Δ0<Δ
u
，Δ
l
为信赖域最小半径，Δ
u
为信赖域最大半径，Δ0为信赖域初始半径，信赖域半径是一个标量；x0为未知参数的初始化，未知参数是一个向量；步骤12、通过步骤11计算出的最优解，得到基频振动位移信号；将最优解带入步骤8定义的模型只取距离模型的一阶函数将t
(0)
带入g1(x
*
；t)，得到基频振动位移信号(t
(0)
，g1(x
*
；t
(0)
))。3.根据权利要求2所述的一种螺旋桨用基频振动信号还原方法，其特征在于：步骤3包括：步骤3.1利用步骤2计算出的阈值u1将步骤1得到的y
(0)
中小于等于u1的信号赋值为0，得到y
(1)
，令t
(1)
＝t
(0)
，则得到信号(t
(1)
，y
(1)
)；用尖峰提取法将y
(1)
中的局部最大值提取出来，得到y
(2)
，并且计算y
(2)
中每个信号点在y
(1)
中对应的下标I
(2)
，t
(2)
＝t
(1)
(I
(2)
)，则得到信号(t
(2)
,y
(2)
)；y
(2)
便是电涡流位移传感器在螺钉上采集到的电压信号；其中，t
(1)
(
·
)表示通过下标取t
(1)
的值，下同；步骤3.2设定阈值u2用于判断y
(2)
中相邻的两个信号点是否是在同一个螺钉处采集到的；步骤3.3对t
(2)
做差分运算，得到相邻两个信号点的时间间隔Δt
(2)
＝[t
(2)1
‑
t
(2)0
,t
(2)2
‑
t
(2)1
,
…
,t
(2)n
‑
t
(2)n
‑1]，t
(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立芳，李栋，周书华，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：