航空发动机振动信号整周期等相位重采样技术研究

摘 要：针对航空发动机风扇转子不平衡产生的振动信号频谱泄漏问题，提出了高齿标记的整周期等相位重采样技术，极大的提高了风扇转子振动信号幅值和相位测量的准确度和稳定性。经仿真验证， 可广泛应用于航空发动机风扇转子动平衡领域。

关键词：振动信号；高齿；整周期；等相位重采样

航空发动机风扇转子不平衡产生的振动信号是与N1转速同频的周期信号，精确获取与转速同频信号的振幅、相位是对风扇进行动平衡的前提。

在实际测量中，为了简化硬件设计往往是采用固定采样频率进行连续采样。在此过程中，N1转子的转速或多或少会有一些波动，再加上其它测量误差，若采用采样数据直接进行FFT计算，会导致谱泄漏效应和截断误差。

为此，本文提出了基于N1转速的振动信号重采样技术。以转速高齿信号为基准，在软件中查找两个高齿信号之间数据，对整周期的信号利用等相位法线性插值法，重构每周期数据，而后在进行FFT计算。这样可以保证数据的整周期性和同相位性[1]。

1 N1转子数据采集

为了实现振动信号的高齿时刻（相位）标记，使用逻辑单元控制A/D采样振动信号，固定采样频率fs为10KHZ。当识别到高齿信号，标记此刻采集到的振动信号，同时逻辑单元将本时刻采集到N1值写入此振动信号后FIFO单元中，然后按照fs继续采样振动信号，当下次识别到高齿信号继续标记振动信号，写入N1转速值到FIFO，重复进行上述采样、标记过程。

在读取振动信号FIFO后可获知当前时刻转速值，当转速增加时两个高齿标记振动信号之间的振动点数增加。由于转子非稳定运行时，转速的摆动不是常量，转子的幅值和相位就会由于非等相位采样而出现较大的摆动，这将直接影响动平衡的平衡效果和平衡效率[2]。

2 振动信号重采样

对于风扇转子的振动信号，采用整周期等相位的方式采样。转子每转动1周，采集32个数据点，共采集32个周期，作为1帧状态原始数据予以储存、显示和实时分析。

2.1 等相位采集原理

在转子转动一周内，转速信号频率为f（t）， 32个数据点相邻采样点之间对应N1转子转动相位为∫tn+dttn2πf（t）dt，等相位采样则有：

∫tn+dttn2πf（t）dt=∫tntn-dt2πf（t）dt

其中dt0=132f（0），假设转子转动1周内转速为线性变化，有：k=f（32）f（0）Num/fs，f（0）为起始高齿标记振动时刻N1转速频率，f（32）为转动一周结束时刻N1转速频率，Num为转动一周内固定采样频率采集到的振动点数。

可化简为：

f（0）dt0+12kdt20=f（0）dt1+kdt0dt1+12kdt21

求解dt1，同理可分别求出dt2……dt30。对固定采样的振动信号根据线性插值，插值公式为：

y（n）=x（nceil）+x（nceil）-x（nfloor）1/fs[nfloor1fs-∑n[]0ti]

其中x（i）为原始振动采集信号，y（0）为高齿标记振动点，

nceil=ceil（n0dti1fs），nfloor=floor（n0 dti1fs），ceil和floor分别为向上取整和向下取整。于是可得到：y（1）……y（31），选取速度最接近且速度变换最小的32个周期振动数据进行FFT变换，求取此转速频率下对应的幅值和相位信息。

2.2 仿真分析

仿真条件为：转速f（0）=40HZ、k=2.8HZ/S，振动幅值A=1，振动相位=0，固定采样率fs=10KHZ。对于非稳态信号，由传统法和整周期重采样法得到仿真结果如下图所示。

固定采样和等相位整周期重采样FFT结果对比图

对于非稳态信号，固定采样的幅值误差为10%，相位误差12%，将严重影响动平衡的准确性，而整周期等相位重采样法的误差较小。

3 结语

本研究采用高齿信号标记及整周期等相位重采样处理，对于非稳态信号，可有效提高幅值及相位精度。由于采集系统成本低、处理精度高，可广泛用于航空发动机风扇转子动平衡领域。

参考文献：

[1]廖明夫， 杨伸记.火箭发动机涡轮泵振动信号的同步整周期采集[J].导弹与航天运载技术，2003.

[2]王四季，廖明夫，杨伸记.发动机高速动平衡的振动相位分析[J].燃氣涡轮试验与研究，2007.

作者简介：赵建平（1986），男，陕西西安人，研究生，工程师，主要从事航空发动机健康管理技术领域研究。