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低转速航空发动机滚动轴承故障深度异常检测方法

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振动与冲击 2024年第7期43卷 186-195页

作者：康玉祥陈果盛嘉玖王浩尉询楷南京航空航天大学民航学院南京210016 南京航空航天大学通用航空与飞行学院江苏溧阳213300 北京航空工程技术研究中心北京100076

针对航空发动机滚动轴承在低转速状态下故障难检测的问题,提出了一种基于Transformer框架的深度支持向量描述方法用于检测低转速滚动轴承的故障。首先,构建了基于Transformer模型的振动特征提取主干网络。然后,将所提取的特征输入一个... 详细信息

针对航空发动机滚动轴承在低转速状态下故障难检测的问题,提出了一种基于Transformer框架的深度支持向量描述方法用于检测低转速滚动轴承的故障。首先,构建了基于Transformer模型的振动特征提取主干网络。然后,将所提取的特征输入一个三层自编码器结构,用于计算网络模型的损失函数。为减少网络计算量,提高训练速度,在预处理中将滚动轴承的振动加速度时域信号通过快速傅里叶变换(FFT)得到的频谱结果作为网络的输入,且仅依靠正常数据完成模型的训练。最后,在带机匣的航空发动机转子试验器和某型真实的航空发动机上分别进行了试验验证。结果表明,所提方法能够准确的实现对低转速滚动轴承故障的检测,且检测精度分别为93%和100%,充分表明该方法具有很好的异常检测能力及应用价值。

关键词：低转速滚动轴承深度异常检测 Transformer 航空发动机

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航空发动机整机动力学建模及模型确认

推进技术 2024年

作者：梁昊天高东武尉询楷王鑫王浩臧朝平北京航空工程技术研究中心南京航空航天大学能源与动力学院中国航发沈阳发动机研究所

针对航空发动机整机结构部件多、连接状态复杂、动力学特性预测困难的问题，提出了基于“超模型”虚拟测试数据的航空发动机整机结构分层次动力学建模及模型确认方法。建立各单个部件的简化模型，在初始无样机时，基于超模型的虚拟测试... 详细信息

针对航空发动机整机结构部件多、连接状态复杂、动力学特性预测困难的问题，提出了基于“超模型”虚拟测试数据的航空发动机整机结构分层次动力学建模及模型确认方法。建立各单个部件的简化模型，在初始无样机时，基于超模型的虚拟测试数据对单个部件简化模型进行动力学模型确认；基于两两连接部件超模型的虚拟测试数据，实现确认后的简化模型两两连接界面的修正与确认，连接部件超模型的虚拟测试数据通过部件的超模型与螺栓连接超模型建模理论获得；建立转子组件的动力学模型，并基于参考数据进行修正与确认；将确认后的转子模型和考虑连接的机匣系统模型进行组合，获得整机动力学模型。以某型涡扇发动机为例，采用本方法建立了其整机动力学模型。确认后的发动机整机简化模型的临界转速预测值与实际发动机整机测试的临界转速参考值对比，误差在10%以内，验证了方法的有效性。

关键词：航空发动机超模型动力学建模连接结构模型确认

基于残差网络的滚动轴承故障损伤尺寸识别方法

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机械科学与技术 2024年

作者：吴英祥杜少辉赵紫豪尉询楷陈智超陈果中国航发沈阳发动机研究所南京航空航天大学民航学院北京航空工程技术研究中心南京航空航天大学通用航空与飞行学院

针对当前基于机器学习的滚动轴承损伤尺寸识别精度低的问题，提出了一种基于深度残差网络的滚动轴承故障损伤尺寸识别方法。该方法以残差网络为深层特征提取主框架，建立能够将预处理后的振动样本数据映射至相应的损伤尺寸的网络模型。... 详细信息

针对当前基于机器学习的滚动轴承损伤尺寸识别精度低的问题，提出了一种基于深度残差网络的滚动轴承故障损伤尺寸识别方法。该方法以残差网络为深层特征提取主框架，建立能够将预处理后的振动样本数据映射至相应的损伤尺寸的网络模型。数据预处理时采用傅里叶变换，获得原始振动加速度时域信号的频谱图作为网络的输入；在滚动轴承加速疲劳试验机和航空发动机转子试验器等两种类型的试验器上，通过不同的损伤尺寸试验，对所提出的损伤尺寸识别方法进行了验证，并和多种方法进行了对比。结果表明，在0.3mm的预测误差范围内，所搭建的网络模型对未参与训练的故障损伤尺寸的识别精度，内圈为91.2%，外圈为97.9%。同时，在对数据进行加噪处理后，损伤尺寸的预测误差依然能够达到0.3mm以内的识别精度。结果充分表明本文方法具有很强的故障损伤尺寸识别能力。

关键词：深度学习残差网络傅里叶变换滚动轴承损伤尺寸

变工况条件下角接触球轴承疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱研究

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机械工程学报 2024年

作者：邓智铭黄土地黄洪钟尉询楷王浩北京航空工程技术研究中心电子科技大学机械与电气工程学院电子科技大学系统可靠性与安全性研究中心

航空发动机主轴轴承在实际运行中承受着复杂的时变载荷，如何在实验室内，在不改变失效机理的情况下进行主轴轴承的加速寿命试验是重大技术难题，重要原因是在变工况条件下进行航空发动机主轴轴承加速试验缺乏加速试验载荷谱。在此背景... 详细信息

航空发动机主轴轴承在实际运行中承受着复杂的时变载荷，如何在实验室内，在不改变失效机理的情况下进行主轴轴承的加速寿命试验是重大技术难题，重要原因是在变工况条件下进行航空发动机主轴轴承加速试验缺乏加速试验载荷谱。在此背景下，本文对变工况条件下角接触球轴承的疲劳剥落故障演化机理进行了详细分析，并在此基础上，提出疲劳剥落故障演化加速试验载荷谱的研制方法。首先建立考虑温度与润滑的7208AC角接触球轴承的拟动力学模型，求解了轴承接触参数。再基于扩展有限元方法(Extended finite element method, XFEM)，建立了轴承滚道表面疲劳剥落故障演化仿真模型。然后，以接触参数为输入，以基于断裂力学分析得到的裂纹扩展速度与方向为迭代更新准则，实现了对疲劳剥落故障演化的动态模拟。最后，基于剥落故障演化机理分析结果，插值制订了加速因子为1.5的轴承变工况加速试验载荷谱，并利用疲劳剥落故障演化仿真模型对载荷谱的可行性进行了验证。结果表明，在所制订的变工况加速试验载荷谱下，轴承的实际疲劳剥落加速因子与理论值相近。本文所提出的变工况载荷谱制定方法，可为航空发动机主轴轴承的加速试验提供重要的理论依据。

关键词：拟动力学模型疲劳剥落裂纹扩展有限元分析加速试验

一种混合有限元模型的航空发动机主轴承剥落故障仿真分析方法

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航空发动机 2024年

作者：吴英祥尉询楷冯国全赵紫豪李伦绪陈果北京航空工程技术研究中心中国航发沈阳发动机研究所南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学通用航空与飞行学院

高保真的整机实体有限元模型可以逼真地反映航空发动机整机振动特性，但是难以考虑复杂的滚动轴承故障动力学模型，且其计算量太大，不能胜任主轴承故障激励下的整机非线性动力学仿真。为了有效地进行发动机主轴承的故障诊断，主轴承剥... 详细信息

高保真的整机实体有限元模型可以逼真地反映航空发动机整机振动特性，但是难以考虑复杂的滚动轴承故障动力学模型，且其计算量太大，不能胜任主轴承故障激励下的整机非线性动力学仿真。为了有效地进行发动机主轴承的故障诊断，主轴承剥落故障激励下的整机振动响应机理的研究至关重要。因而开展了一种基于整机实体有限元模型和整机梁单元有限元模型的主轴承故障动力学混合仿真分析方法。利用整机梁单元模型仿真分析得到主轴承故障激励下与机匣相连接的主轴承支反力，在整机实体有限元模型中去除转子实体有限元模型，将支反力直接施加到各支承处的轴承座上，利用瞬态响应分析方法获取主轴承故障激励下的整机振动响应，并利用整机梁单元模型进行了方法验证。结果表明：利用混合有限元仿真方法获取了航空发动机主轴承故障激励下的仿真信号，误差均不超过1%，表明了所提出方法的正确有效性。

关键词：航空发动机主轴承剥落故障动力学仿真有限元

一种选取最优解调频带新方法——Multigram

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推进技术 2024年第7期45卷 237-249页

作者：盛嘉玖陈果贺志远刘曜宾王浩尉询楷南京航空航天大学民航学院江苏南京211106 南京航空航天大学通用航空与飞行学院江苏溧阳213300 北京航空工程技术研究中心北京100076

针对Fast-Kurtogram易受非高斯噪声干扰的不足,提出一种基于多层滑动滤波器组,找寻最优解调频带的新方法——Multigram。首先,借鉴Protrugram滑动分割频带思想,构建多层、多滤波中心和带宽的滤波组。然后,根据各层不同滤波中心和带宽依... 详细信息

针对Fast-Kurtogram易受非高斯噪声干扰的不足,提出一种基于多层滑动滤波器组,找寻最优解调频带的新方法——Multigram。首先,借鉴Protrugram滑动分割频带思想,构建多层、多滤波中心和带宽的滤波组。然后,根据各层不同滤波中心和带宽依次进行带通滤波,对滤波信号进行包络自相关谱分析,在容差范围内计算谱峭度,以选取最优解调频带。最后,采用最优滤波中心和带宽进行带通滤波和包络谱分析。将方法应用于滚动轴承故障诊断,基于机匣测点的模拟故障轴承试验和自然故障轴承试验结果表明:该方法可有效选取适宜的解调频带,相比于Fast-Kurtogram,Protrugram,Autogram和Infogram,诊断结果更具优势。

关键词：故障诊断滚动轴承 Multigram 共振解调最优解调频带

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考虑滚道缺陷的圆柱滚子轴承保持架振动特性

轴承 2024年第3期 28-35页

作者：张文博杨海生崔永存邓四二尉询楷河南科技大学机电工程学院河南洛阳471003 常州光洋轴承有限公司江苏常州213022 北京航空工程技术研究中心北京100076

基于滚动轴承多体动力学理论,以滚子经过滚道缺陷区域时产生的附加位移表征故障,建立轴承滚道缺陷动力学模型。考虑滚子进出缺陷区域时与滚道间接触载荷的变化,建立圆柱滚子轴承动力学微分方程组并求解,研究滚道缺陷时保持架振动响应规... 详细信息

基于滚动轴承多体动力学理论,以滚子经过滚道缺陷区域时产生的附加位移表征故障,建立轴承滚道缺陷动力学模型。考虑滚子进出缺陷区域时与滚道间接触载荷的变化,建立圆柱滚子轴承动力学微分方程组并求解,研究滚道缺陷时保持架振动响应规律。结果表明:与正常轴承相比,滚道缺陷会导致保持架与滚子间碰撞力增大且接触频率增加,同时保持架打滑率增大;随缺陷宽度增大,内滚道缺陷时保持架振动加速度级逐渐增加,外滚道缺陷时保持架振动加速度级先减小后增加,缺陷宽度大于1 mm后,内滚道缺陷时保持架的振动加速度级明显更大。

关键词：滚动轴承圆柱滚子轴承缺陷动力学模型振动保持架

基于混合有限元模型的航空发动机主轴承剥落故障仿真分析方法

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航空发动机 2024年第3期50卷 79-86页

作者：吴英祥尉询楷冯国全赵紫豪李伦绪陈果中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 北京航空工程技术研究中心北京100076 南京航空航天大学民航学院南京210016 南京航空航天大学通用航空与飞行学院江苏溧阳213300

高保真的整机实体有限元模型可以逼真地反映航空发动机整机振动特性,但是难以考虑复杂的滚动轴承故障动力学模型,且其计算量太大,不能胜任主轴承故障激励下的整机非线性动力学仿真。为了有效地进行发动机主轴承的故障诊断,开展了主轴承... 详细信息

高保真的整机实体有限元模型可以逼真地反映航空发动机整机振动特性,但是难以考虑复杂的滚动轴承故障动力学模型,且其计算量太大,不能胜任主轴承故障激励下的整机非线性动力学仿真。为了有效地进行发动机主轴承的故障诊断,开展了主轴承剥落故障激励下的整机振动响应机理研究,提出了一种基于整机实体有限元模型和整机梁单元有限元模型的主轴承故障动力学混合仿真分析方法。利用整机梁单元模型仿真分析得到主轴承故障激励下与机匣相连接的主轴承支反力,在整机实体有限元模型中去除转子实体有限元模型,将支反力直接施加到各支承处的轴承座上,利用瞬态响应分析方法获取主轴承故障激励下的整机振动响应,并利用整机梁单元模型进行了方法验证。结果表明:利用混合有限元仿真方法获取了航空发动机主轴承故障激励下的仿真信号,误差均不超过1%,表明了所提出方法的正确有效性。

关键词：主轴承剥落故障动力学仿真有限元航空发动机

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深度残差对冲网络及其在滚动轴承故障诊断中的应用

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航空学报 2022年第8期43卷 57-68页

作者：康玉祥陈果尉询楷周磊南京航空航天大学民航学院南京210016 北京航空工程技术研究中心北京100076

提出了一种新的深度残差对冲网络模型。首先,该模型借助Inception堆叠思想提出了堆叠卷积对冲结构块以加快网络收敛速度;然后,设计了新的恒等映射块,实现了输入层与中间各层的残差连接;最后,在全连接层引入Squash函数,防止损失梯度的发... 详细信息

提出了一种新的深度残差对冲网络模型。首先,该模型借助Inception堆叠思想提出了堆叠卷积对冲结构块以加快网络收敛速度;然后,设计了新的恒等映射块,实现了输入层与中间各层的残差连接;最后,在全连接层引入Squash函数,防止损失梯度的发散。将提出的深度残差对冲网络应用于滚动轴承故障诊断,在预处理中将滚动轴承的振动加速度时域信号通过快速傅里叶变换得到的频谱图直接作为网络输入,从而简化了数据的预处理工作。利用两组实际的滚动轴承故障数据进行方法验证,并与18层深度残差网络(Resnet18)、卷积神经网络(CNN)等其他方法进行了对比验证。结果表明所提深度残差对冲网络模型的测试精度较其他模型高约2%,且训练时间能缩短1/3,充分表明本文方法具有很强的鲁棒性和收敛速度快等优点。

关键词：深度学习残差网络对冲结构 Squash函数滚动轴承故障诊断