基于振动值的机匣包容试验数据采集触发系统

曹继来，洪伟荣，李 颖，宣海军

（浙江大学化工过程机械研究所，杭州310007）

0 引言

航空发动机在工作转速下运转时，轮盘和转鼓环意外破裂所产生的碎块具有极高的能量，会导致发动机严重受损[1]。为避免高能碎片穿透机匣，对飞机其他部件造成二次伤害，试飞前需要对发动机机匣包容能力进行试验。航空强国对发动机包容问题的研究都非常重视，在民、军用航空发动机规范中都有专门条文对包容性作出严格规定[2]。航空发动机包容试验内容之一是研究叶片飞断及机匣内侧受断裂叶片撞击刮擦情况[3]，要求对必要的试验数据进行记录采集。在浙江大学化工机械研究所高速旋转实验室所进行的多次航空发动机包容试验中，叶轮在预置缺陷的情况下，其爆裂飞出转速要在70000r/min以上。假设叶轮在转速70000r/min时发生叶片飞断，此时叶轮旋转1周用时为8.6×10-4s，此时叶片飞断时间极短，给试验研究工作带来了较大困难。试验中能否及时有效地控制高速摄像机、应变仪及其示波器等相关设备对叶轮爆裂时刻的数据采集成为试验成败的关键。在以往的机匣包容试验中，由于机匣和叶轮之间存在较大的间隙，数据采集设备主要采用其间缠绕通电线圈的方式进行控制，飞断叶片割断通电线圈从而为数据采集设备控制端提供1个正向或负向电压脉冲，从而控制数据采集设备进行数据采集。数据采集设备自身内存可以保存触发时刻之前一段时间内的数据，切断通电线圈的延迟时间小于设备内存保存的触发前数据，故传统的割断触发线圈的触发方式准确可靠，能够及时准确地控制数据采集设备。而对于叶轮与机匣之间的间隙在0.5mm以内时，其间没有足够的空间放置通电线圈的情况，传统的割断通电线圈的触发方式不能满足试验要求，需要寻找新的触发方式实现对数据采集设备的控制[4]。

为了在切断通电线圈不能应用的场合实现对数据采集设备及时准确地控制[5-7]，自行开发了基于振动幅值的机匣包容试验数据采集触发系统。本文对系统的工作原理和功能进行详细介绍，并通过试验对系统性能进行验证。

1 触发系统

基于振动幅值的机匣包容试验数据采集触发系统[8]（如图1所示）主要包括振动信号采集系统、触发控制系统、触发电路、数据采集系统、触发延时测试系统等，其中触发控制系统为基于振动幅值的机匣包容试验数据采集触发系统的核心部分；振动信号采集系统实现对高速旋转轴振动信号的采集，提供可靠的触发信号源；触发电路实现对数据采集系统的实时控制，采集叶轮破裂时刻相关数据信息；触发延时测试系统主要用于对系统触发延时性能的评估，通过对整个系统中主要元件的电位变化通过LabVIEW程序进行采集，对电位变化的时间差进行评估。

图1 机匣包容试验数据采集触发系统组成

2 触发系统工作原理

2.1 振动信号采集系统

振动信号采集系统主要包括电涡流位移传感器和前置变换器，其中电涡流位移传感器运用感应电涡流原理[9-12]，即高频交变磁场在金属表面感应产生电涡流，如图2所示。

图2 电涡流位移传感器原理

前置变换器主要包括振荡器、源极输出、正反馈放大器、检波滤波4部分[12]。其中振荡器供给传感器线圈高频振荡讯号，由正反馈放大器将传感器的输出电信号加以放大驱动负载，高频载波信号经检波滤波得到直流信号，最后得到的直流信号作为触发信号源送到位移振幅测量仪[9]。

2.2 触发信号控制系统及触发电路

触发控制系统及触发电路主要由位移振幅测量仪和继电器控制电路组成。其中位移振幅测量仪主要包括直流放大器、交流放大器、双峰检测电路、报警电路和稳压电源等。直流放大器包括运算放大器IC1和IC2构成的电压放大部分及三极管组成的电流放大部分，前置器输出信号经过直流放大器的信号放大处理，产生与位移量相关的电压输出；交流放大器位于直流放大器之后，由运算放大器IC3和三极管电流放大器组成，直流放大器放大处理后的信号经过交流放大器进一步放大，产生与振幅量相关的电压输出；峰峰检测电路主要由正、负峰检波器及差动输入级组成，交流放大器输出端信号被送入双峰检测电路，测量振动峰峰值[9]；报警电路主要包括开环放大器和积分器，当振幅值超过设定值时，开环放大器反转，积分电路积分延时达到设定时间后，驱动继电器动作，报警输出触点断开。在振幅测量时，当振动超过预先设定的报警值时，设备发出报警讯号同时控制内置的继电器开关动作，实现触发功能。试验中位移振幅测量仪采用浙江大学自仪小组自主研发的ZZF型位移振幅测量仪，工作原理如图3所示[12]。

图3 位移振幅测量仪原理

位移振幅测量仪延时报警功能主要由定时和触发报警电路实现，其中定时电路用于检测输入信号中高电平及高电平维持时间，当输入信号的维持时间大于延时时间t 时，触发报警电路。合理地设置t，使触发达到快速响应，同时又有效地避免外界短暂的干扰[13]。触发电路由位移振幅测量仪、继电器、高速摄像机、示波器、应变仪以及相应的屏蔽信号线组成。其中位移振幅测量仪作为触发控制系统的的核心，对触发电路性能好坏起到了决定性作用；继电器是高速摄像机、示波器、应变仪的主控元件，要求其动作响应迅速，延迟时间小。触发电路原理如图4所示。

图4 触发电路原理

2.3 数据采集系统

数据采集系统硬件设备采用美国NI公司生产的USB-6009数据采集卡，最大采样频率为50kHz。采集程序应用配套的LabVIEW软件自行编写的采样程序，采集通道运用差分输入模式，单通道采样率为10240 Hz。试验需要采集的物理量为旋转轴的振动信号，合理地进行采集电路的连接即可完成数据采集任务[14]。

2.4 触发延时测试系统

根据系统的工作原理，由外界振动信号引起的触发具有一定的时序性。触发延时测试系统主要用于评估电路延时性能，通过LabVIEW程序对电路中不同元件的电位变化进行采集，由于不同元件采集得到的数据具有相同的时间基准，利用采集得到的电位数据绘制时域曲线，比较不同元件的电位变化的时间差值，达到对整个系统的触发延时性能评估的目的。在系统工作时，外界振动信号要主要经过电涡流位移传感器、前放大置器、位移振幅测量仪、继电器开关等，最终控制相应的数采设备工作。依据信号的传输过程，依次选取传输通道上的V1、V2、V3、V4、V55个位置进行电位采集。测点V1为位移振幅测量仪电平输出端与COM端的电位，其电位变化反映了旋转轴的振动情况，得到触发信号源满足触发条件的时刻值。电阻R1、R2为2个串联的电阻，其阻值均为1kΩ，测70B9V2为电阻1两端的电压值；测点V2的电位变化反映了位移振幅测量仪ALARM与ON端口开启与闭合情况，从数据中可以读出位移振幅测量仪继电器触点的动作时刻；在测点V3、V4、V5分别测试高速相机、应变仪、示波器输入信号电位变化情况，分析电位变化可以得出相应元件的工作时刻。

3 试验结果

触发的及时性和有效性是触发系统性能评估的重要指标，要求在振动信号产生阶跃突变的瞬间，实现触发功能，控制内置继电器触点断开，达到控制后置数据采集设备目的；同时该系统还能有效地避免外界干扰信号对触发的影响，防止因误触发而导致试验失败。

3.1 触发系统延时测试

在试验前，需要对触发延时性能进行评估。高速相机、应变仪、示波器本身的动作时间非常短，可以忽略，故测点V3、V4、V5的动作时刻可近似为继电器KM触点的。根据使用的继电器的制造工艺参数可知，其动作时间在20ms以内。通过LabVIEW程序对测点V1、V2电位变化采集估算位移振幅测量仪从接收到信号到内置继电器触点动作的时间差。

在延时性能测试时采用电压信号来替代前置变换器的输出信号，测点V1、V2的电位变化情况分别如图5、6所示。从图中可见，测点V1、振幅位移测量仪电平输出端电压和测点V2电压值从高到低电位的突变时刻分别为第11.16和11.24s，振幅位移测量仪从接收振动信号突变到控制内置继电器触点动作延时为0.08s。对于数据采集设备，具有一定的缓冲数据存储功能，可以保存在触发发生前一定时间段的数据。在试验中，为兼顾图像清晰度与存储容量的矛盾，高速相机采样帧频设置为10000，采用CENTRE触发模式，缓冲数据保存时间为0.9s。试验室应变采集采用EDX2000A动态数采仪，采集到撞击瞬间机匣应变数据设置采样频率为200kHz，可以保存触发前0.3s内的数据。示波器采用具有外触发式多通道数字存储示波器，其采样率可以设置较高值。试验中设采样频率为50MHz，触发前数据保存时间为2s。通过分析得出，系统总的延时时间为振幅位移测量仪和继电器延时时间之和约为0.1s，而数据采集设备缓冲数据存储时间远大于0.1s，故触发系统可以较好地完成试验。

图5 测点V1电平输出信号

图6 测点V2电压信号

3.2 包容试验分析

在航空发动机机匣包容试验中，合理设置参数是试验顺利完成的保障。低频电子设备普遍存在受50 Hz工频干扰的现象[15]，因此，位移振幅测量仪的延时时间要大于该值，试验中延时时间设置为0.05s，以有效避免因工频干扰而引起误触发。在试验中，由于轮盘预置裂纹破坏了对其自身平衡性能，系统经过临界转速时的增速头内高速柔性轴振幅约为0.300mm，叶轮爆裂高速柔性轴的振幅一般在0.600mm以上，为避免因高速旋转轴经过临界转速时振幅增加引起误触发，将位移振幅测量仪预定报警值设定为0.500mm。高速相机拍摄到的叶片飞出时刻的照片如图7所示。从图中可见，下方开始有部分叶片轮盘飞出。示波器有效采集得到相差90°方向旋转轴振动波形，轮盘爆裂后旋转轴的振动数据也得到有效采集，旋转轴的剧烈振动维持时间约为45.6ms，如图8所示。

图7 叶片飞出时高速相机照片

图8 触发前后示波器数据

4 总结

基于振动幅值的机匣包容试验数据采集触发系统有效地控制了高速相机、应变仪、示波器，较好地采集到叶轮飞断时刻的数据，从而在切断通电线圈不能应用的场合实现对数据采集设备及时准确地控制。

致谢

感谢中航工业航空动力机械研究所对航空发动机机匣包容试验的数据采集工作给予支持和帮助！

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