基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，包括：基于轴承动力学特性模拟提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力；基于轴承不同故障模式机理简化接触力，提取周期性冲击激励力并做简化处理；施加轴承故障等效简化单次激励力，基于机匣传递特性映射机理提取机匣测点振动响应；基于滚动轴承工作原理在时域内对测点振动响应进行重组叠加；基于故障机理及模拟时长，进行响应矩阵重构及信号调制，融合发动机实测背景噪声，形成故障案例；对数值仿真故障案例进行包络谱分析，提取包络谱中的峰值特征频率，比较包络谱中峰值频率与理论特征频率的误差，得出故障模拟方法的准确性。得出故障模拟方法的准确性。得出故障模拟方法的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机轴承故障模拟
，具体地说，特别涉及一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法。

技术介绍

[0002]轴承作为航空发动机转子系统的支承部件，其动态特性对转子工作性能影响显著，甚至直接影响整个航空发动机的功能。由于轴承长期在高温、高速、高DN值及载荷变化复杂的条件下工作，使其故障频发。相关数据表明，以转子部件和轴承故障为主的失效，占发动机各重大机械失效的80％以上。近年来，以大数据为依托的深度学习方法为机械设备的智能故障诊断提供了重要途径。但在工程实际中，机械设备的监测数据存在可利用率低和价值密度低的情况，这是由于轴承故障特征微弱，传感器安装困难，信号采集难度大等因素限制，为每种轴承状态收集和标记的故障数据可能会出现信息不充分的情况。具体来说，当故障样本远少于正常样本，会产生数据分布不均衡现象；而当各类轴承数据的绝对数量都很少时，表现为小样本。严重阻碍了发动机轴承故障诊断技术的工程应用。
[0003]在轴承故障发生早期时，由于故障特征微弱同时伴随着强噪声背景，而且振动信号往往是多个部件振动响应的综合表现，不仅如此，各传感器传递路径的不确定性及信号能量的衰减和畸变，都使得轴承微弱故障特征在机匣振动信号中表现更为复杂，包含轴承故障特征信息的振动信号与健康振动信号也难以区分，加剧轴承故障诊断难度。深度学习方法通过建立深层结构模型，可以有效地从大量数据中自适应提取具有代表性的故障特征，发动机轴承故障样本不均衡和小样本问题稀缺亟待解决。
[0004]目前国内外学者针对样本不均衡问题主要从数据和算法两个方面进行研究。前者旨在通过样本重采样或数据生成方式来扩充少数类样本的数量，后者则希望增加模型对少数类的敏感性和惩罚度来减小诊断误差或优化分类器。上述方法虽然取得了一定的效果，但重采样方法在合成新样本的时候也会造成过泛化、过生成或改变原数据的分布情况，存在生成的样本模糊，缺少纹理细节的问题。而算法改进上往往难以合理设置具体的代价参数，且当数据不均衡程度过高时，模型的提升效果有限。针对各个领域的小样本分类问题，主要可分为数据增强、迁移学习、元学习和度量学习四类。以上方法虽然能够提升小样本下的故障诊断性能，但仍存在诸多问题。例如数据增强方法有可能会引入噪声数据；迁移学习方法本质上仍需要大量辅助数据作为前提；元学习方法复杂度较高，相关技术还不成熟；而度量学习在训练样本很少的情况下准确率较低。
[0005]计算线性系统的传递函数是描述结构振动传递特性的常用方法。对于线性时不变系统，其系统输出响应等于系统输入与系统冲激响应的卷积。根据时域卷积定理，易知系统输出信号的频谱密度等于输入信号的频谱与冲激响应频谱的乘积。故系统冲激响应的傅里叶变换即为系统的频域传递函数。人们在研究传递特性时，往往更偏重于频域传递特性，产生一系列计算线性系统频响函数的计算方法，主要有幅值法、互谱法、倒置法、最小二乘法、尺度因子法和算数平均法等。然而，对于航空发动机轴承故障来说，其激励与响应具有明显
的时域周期性特征，故仅在频域内模拟轴承故障势必难以保证满足轴承故障机理。目前对于如何在时域内利用航空发动机机匣振动传递特性映射激励与响应之间的关系，从而准确、高效进行轴承故障模拟的研究仍存在一定不足。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的问题，本专利技术实施例提供了一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法。所述技术方案如下：
[0007]一方面，提供了一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，包括：
[0008]步骤1)：基于轴承动力学特性模拟提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力；
[0009]步骤2)：基于轴承不同故障模式机理简化接触力，提取周期性冲击激励力并做简化处理；
[0010]步骤3)：施加轴承故障等效简化单次激励力，基于机匣传递特性映射机理提取机匣测点振动响应；
[0011]步骤4)：基于滚动轴承工作原理在时域内对测点振动响应进行重组叠加；
[0012]步骤5)：基于故障机理及模拟时长，进行响应矩阵重构及信号调制，融合发动机实测背景噪声，形成故障案例；
[0013]步骤6)：对数值仿真故障案例进行包络谱分析，提取包络谱中的峰值特征频率，比较包络谱中峰值频率与理论特征频率的误差，得出故障模拟方法的准确性。
[0014]进一步地，在步骤1)中，所述基于轴承动力学特性模拟提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力，具体为：
[0015]利用有限元模型或多体动力学模型等设置轴承不同组件故障，参照工程实际添加约束及边界条件，进而完成不同模式下轴承故障动力学特性模拟；通过后处理提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力。
[0016]进一步地，在步骤2)中，所述基于轴承不同故障模式机理简化接触力，提取周期性冲击激励力并做简化处理，具体为：
[0017]依据不同轴承故障模式动力学特性模拟数据特征频率计算轴承故障激励力周期，判定滚珠与缺陷产生第一次接触力的时刻，再提取对应周期内的接触力，即为不同轴承故障模式的故障激励力，再将轴承故障激励力简化处理为以故障激励力大小均值F1为幅值的等幅具有周期性时域冲击特性的激励矩阵M。
[0018]具体地，所述判定滚珠与缺陷产生第一次接触力的时刻，具体为：
[0019]在轴承第一个故障激励力周期内，寻找轴承与轴承座间接触力绝对值最大的采样点，即此时记为滚珠与缺陷产生接触力的开始。
[0020]进一步地，在步骤3)中，所述施加轴承故障等效简化单次激励力，基于机匣传递特性映射机理提取机匣测点振动响应，具体为：
[0021]基于简化等幅周期性时域激励矩阵M提取单脉冲激励N，施加于航空发动机机匣轴承处或高保真机匣三维实体有限元模型进行瞬态动力学分析；基于发动机机匣的传递特性映射轴承故障激励与测点振动响应的关系，并结合发动机实际监测位置，提取风扇机匣、中
介机匣和涡轮后机匣三个测点振动加速度数据作为轴承故障数值模拟的基础。
[0022]具体地，将单脉冲激励下机匣测点响应等价于单次轴承故障激励基于机匣传递特性的直观表征，同时发动机机匣传递特性通过仿真模型计算得到，或利用实际机匣结构进行测试得到。
[0023]进一步地，在步骤4)中，所述基于滚动轴承工作原理在时域内对测点振动响应进行重组叠加，具体为：
[0024]基于轴承故障激励特征，在不同故障模式下，以轴承故障单个激励周期内包含的采样点数对机匣测点信号进行分组，得到单脉冲激励下测点响应矩阵P；再依据滚动轴承周期性工作原理，基于单脉冲激励下测点响应矩阵P进行信号叠加重构计算，得到轴承旋转一周时机匣测点的振动响应矩阵Q。
[0025]进一步地，在步骤5)中，基于故障机理及模拟时长，进行响应矩阵重构及信号调制，融合发动机实测背景噪声，形成故障案例，具体为：
[0026]用仿真案例时长/轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，其特征在于，包括：步骤1)：基于轴承动力学特性模拟提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力；步骤2)：基于轴承不同故障模式机理简化接触力，提取周期性冲击激励力并做简化处理；步骤3)：施加轴承故障等效简化单次激励力，基于机匣传递特性映射机理提取机匣测点振动响应；步骤4)：基于滚动轴承工作原理在时域内对测点振动响应进行重组叠加；步骤5)：基于故障机理及模拟时长，进行响应矩阵重构及信号调制，融合发动机实测背景噪声，形成故障案例；步骤6)：对数值仿真故障案例进行包络谱分析，提取包络谱中的峰值特征频率，比较包络谱中峰值频率与理论特征频率的误差，得出故障模拟方法的准确性。2.如权利要求1所述的一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，其特征在于，在步骤1)中，所述基于轴承动力学特性模拟提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力，具体为：利用有限元模型或多体动力学模型等设置轴承不同组件故障，参照工程实际添加约束及边界条件，进而完成不同模式下轴承故障动力学特性模拟；通过后处理提取不同轴承故障模式下轴承外圈与轴承座间的接触力。3.如权利要求2所述的一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，其特征在于，在步骤2)中，所述基于轴承不同故障模式机理简化接触力，提取周期性冲击激励力并做简化处理，具体为：依据不同轴承故障模式动力学特性模拟数据特征频率计算轴承故障激励力周期，判定滚珠与缺陷产生第一次接触力的时刻，再提取对应周期内的接触力，即为不同轴承故障模式的故障激励力，再将轴承故障激励力简化处理为以故障激励力大小均值F1为幅值的等幅具有周期性时域冲击特性的激励矩阵M。4.如权利要求3所述的一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，其特征在于，所述判定滚珠与缺陷产生第一次接触力的时刻，具体为：在轴承第一个故障激励力周期内，寻找轴承与轴承座间接触力绝对值最大的采样点，即此时记为滚珠与缺陷产生接触力的开始。5.如权利要求4所述的一种基于机匣传递特性的航空发动机轴承故障数据模拟方法，其特征在于，在步骤3)中，所述施加轴承故障等效简化单次激励力，基于机匣传递特性映射机理提取机匣测点振动响应，具体为：基于简化等幅周期性时域激励矩阵M提取单脉冲激励N，施加于航空发动机机匣轴承处或高保真机匣三维实体有限元模型进行瞬态动力学分...

【专利技术属性】
技术研发人员：左彦飞，吕东旭，范满意，孙泽茹，史守州，孔祥兴，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：