一种兼具强干扰背景噪声特征的轴承故障数据模拟生成方法

作     者：吕东旭 左彦飞 范满意 孙泽茹 孔祥兴 

作者机构：北京化工大学机电工程学院 北京化工大学发动机健康监控及网络化教育部重点实验室 中国航空发动机研究院基础与应用研究中心 

出 版 物：《机电工程》 (Journal of Mechanical & Electrical Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家科技重大专项(2019-I-0019-0018) 中央高校基本科研业务费资助项目(QNYC232307) 

主　　题：燃气涡轮发动机 接触碰撞激励 机匣复杂传递 非线性激励 传递特性 时域离散卷积 多体接触瞬态动力学 故障信号融合重构 

摘      要：在对燃气涡轮发动机的轴承故障进行智能诊断时，存在着智能诊断难度大、实测案例稀缺等问题。为此，在考虑了非线性接触碰撞激励、发动机薄壁机匣支承结构复杂传递特性的基础上，提出了一种兼具发动机强干扰背景噪声特征的轴承故障数据模拟生成方法，并将其与实验数据进行了对比，验证了两者故障特征的一致性。首先，建立了典型发动机高压转子-轴承系统多体接触瞬态动力学模型，通过模拟故障轴承复杂接触碰撞过程，获取了非线性轴承故障激励力；其次，基于该发动机机匣高保真有限元模型，计算了故障轴承位置到测点的脉冲激励响应，并结合模态振型探明了发动机机匣的复杂传递特性；然后，在此基础上提出了基于非线性轴承故障激励与复杂传递的机匣测点信号时域离散卷积的重构方法，模拟了轴承故障在机匣测点的关键机理特征，并进一步融合了健康发动机的实测振动数据，构造了包含工作状态气流激振、非线性干扰等因素影响下的轴承故障仿真数据；最后，为了验证仿真数据故障特征的合理性，利用基于特征传递机理的包络解调方法提取了微弱轴承故障特征，并将其与发动机实测轴承故障实验数据进行了比较。研究结果表明：发动机轴承故障仿真数据与实验数据时域特征相似，二者包络谱中的故障特征频率误差小于1%，且故障特征频率及其倍频幅值大小相近，证明发动机轴承故障的仿真数据故障特征具有一定的合理性，可为基于机匣测点的发动机轴承故障特征提取、智能诊断算法训练等提供支撑。