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假设检验下的发动机振动值统计

2019/07/14 阅读:

摘要:某型发动机在深化验证和可靠性试飞期间,多次出现发动机振动值异常增大现象,且在试飞第二阶段出现频率较高。对该发动机机载振动值进行统计,从不同的角度对发动机振动值变化规律进行分析,并初步分析了原因。最后基于假设检验原理对不同样本数据(不同试飞阶段)的发动机振动值进行处理和分析,得出不同时期的振动数据大部分不满足F分布或T分布,从而确定其不属于同一个样本总体,这从侧面说明该发动机振动特性随试飞时间的增加有较大的变化。

关键词:机载振动值;F分布;T分布;样本总体

引言

某型发动机深化验证和可靠性试飞是在设计定型的基础上进一步验证发动机的可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性,为最后的定型使用提供支持;为进一步了解发动机在设计、生产中存在的问题和缺陷,完善设计提供技术依据。其中发动机振动特性验证试飞,主要参考部队战斗和训练大纲科目,通过地面装机和飞行试验,对被试发动机的振动进行测量和统计分析,进一步验证其振动特性。航空发动机在研制和使用过程中无法避免地会出现振动问题,据统计,发动机约70%的故障是由振动导致或与振动有关[1]。某型发动机在发动机中介机匣上安装有振动传感器,通过数字电子控制器中的振动速度测量通道实现对发动机整机振动的监视[2]。该型发动机深化验证和可靠性试飞自实施以来经历了两个试飞阶段。第一阶段自交付起共试飞143飞行架次;后由于返场分解排查故障并贯彻排故措施,完成排故后重新进行试飞工作。在第一阶段试飞前期曾出现发动机振动值增大的现象,但由于未接近发动机振动限制值,未进行处理,正常完成试飞任务。但在第二试飞阶段初期,多次出现振动异常增大的现象,主要出现在以下三个阶段:a)地面慢车推至暖机过程;b)地面慢车状态;c)空中下滑推油门过程。本文从发动机机载振动值统计的角度出发,对两个试飞阶段的机载振动最大值进行统计分析。分析发动机振动值随时间的变化规律,从样本假设检验的角度出发,对发动机振动值的样本进行分析,分析得到在前后两个试飞阶段,发动机振动值不属于同一个样本,这说明前后试飞阶段振动值的平均值及方差均有较大差异。

1发动机振动值统计分析

1.1统计阶段划分

根据该型号发动机设计特点及使用技术说明书,统计了试飞过程中发动机不同状态下的机载振动最大值(B值)。不同B值代表的意义见表1,不同B值表示发动机工作的不同阶段。为了便于进行分析,特将发动机振动最大值进行无量纲化,发动机振动最大值与振动限制值之比定义为相对振动最大值。

1.2前后两阶段趋势分析

该型发动机深化验证和可靠性试飞第一阶段共统计143飞行架次,第二阶段自装机试飞以来共统计38飞行架次。前后两个试飞阶段共181飞行架次整架次振动最大值见图1,从总体趋势分析,发动机容易出现振动异常增大现象主要出现在装发后前四十个飞行架次,包括第一、第二阶段均出现这样的现象,尤其第二阶段出现异常增大的次数较第一阶段多。而第二阶段仅飞行了四十架次左右,后续发动机振动值的变化趋势目前无法判断。从整架次振动最大值统计分析图来看,振动最大值随飞行时间的变化有较小的增加趋势,但并不明显。

1.3不同阶段统计分析

对不同发动机状态振动最大值进行统计分析见图2。B1-B7可以进一步分为四类:B1、B2-B4、B5、B6-B7。B2-B4归为一类说明发动机地面暖机过程中出现的振动异常主要出现在地面全程N2大于70%以上,同时空中振动异常也是出现在空中全程N2大于70%以上状态,因此将B6-B7归为一类。总体来看,加力起飞过程振动最大值最为稳定,没有出现振动异常增大的现象。从整个飞行架次的振动最大值随时间的排列图看,振动最大值随服役时间的变化有较小的增加趋势,但并不明显。考虑到振动最大值的出现具有随机性,因此将整个试飞数据按照前后脱发时间点划分为两个阶段,对两个试飞阶段的振动数据进行统计分析见表2,可以看到,第二阶段不同过程的振动最大值的平均值均比第一阶段大。增幅除B1和B5为15%左右,其余均有30%多的增幅,其中发动机暖机过程中的振动平均值增幅最大,为38.3%。这说明前后两个阶段发动机振动值有着较为明显的变化。而考虑到脱发后返厂分解检查并更换了NO.2支点主轴承等9项零组件并重新装配,而装配工艺(紧度配合)及主轴承的刚度对发动机振动特性有较大影响。因此初步分析前后两个阶段振动特性变化较大的原因是否可能是由于分解检查更换零组件后重新装配产生的。考虑到第一阶段试飞架次数较多,为了更为详细的分析机载振动最大值的变化规律,将第一阶段的试飞数据按照时间前后顺序平均分为三个样本容量,包括第二阶段的试飞架次共计四个相等的样本容量,对其数据进行统计分析。对各样本的均值及均方差进行统计分析见表3,四组样本数据均值随时间先后顺序的变化规律见图3,可以看到随着发动机服役时间的增加,各个统计状态的发动机机载振动最大值的平均值均有不同程度的增加,尤其第二阶段样本四和第一阶段的前三个样本数据对比变化较为明显。此外机载振动最大值的平均值在地面起动过程中最小,在空中N2大于70%以上最大。通过图3(b)样本均方差可以看出,除加力起飞过程振动最大值(B5)外,其余B值方差均在两个试飞初期较大,中间试飞阶段随着时间的推移有小幅的上升趋势。对上述现象进行分析,产生的原因可能是:1)前后两个试飞阶段前均对发动机进行了装配,在试飞前期发动机需要进行磨合,可能会导致试飞前期振动值较大,是否存在上述现象需要再继续对第二阶段试飞数据进行统计分析;2)在试飞第一阶段除试飞初期四十个架次外(磨合期),平均值及方差均随试飞时间的增加有小幅增加的趋势,这可能是由发动机工作时间的增加导致的性能衰减引起的。

2基于假设检验的发动机振动值统计分析

由于发动机不同状态振动最大值随环境等因素变化较大[3],且同一状态下的振动值具有分散性,因此试图进一步从统计学角度进行深入分析。

2.1假设检验原理

由于发动机振动值的大小受众多因素的影响,根据概率统计原理,假设同一状态下的发动机振动最大值服从正态分布,对连续进行试验测得的发动机振动最大值而言,其均值及方差表达式见(1)式:当检验两个正态总体方差是否有差异时,常用F分布进行双边检验。当检验两个总体均值是否有差异时常用T分布进行双边检验[4]。如满足检验判别式(3),说明在给定置信度下两个样本数据属于同一总体,否则不属于同一样本总体。

2.2样本数据分析

按照1.3节的思路将测得的发动机不同状态的振动最大值按照时间先后顺序分为四个样本容量,每个样本容量为38个飞行架次数据。进一步工作是对四个样本数据是否属于同一个样本总体进行假设检验。按照式(1)-(3)对四个样本数据中的发动机振动最大值进行假设检验,结果见表4。除少数样本属于同一个样本总体,其余大部分统计样本不满足F分布或者T分布,即均值或者方差不属于同一个样本数据。上述假设检验结果可以从侧面进一步说明随着发动机工作时间的增加,两个试飞阶段发动机振动特性有较大变化。

3结论

本文通过对某型发动机深化验证试飞以来的机载振动数据进行统计分析,并根据假设检验原理进行样本数据假设检验分析,得到以下规律及思考:1)两个试飞阶段初期(前四十飞行架次),是否由于发动机装配等因素影响,在试飞前期需要进行发动机磨合,导致试飞前期振动值较大;2)发动机机载振动平均值及方差在发动机稳定运行期间均随试飞时间的增加有小幅增加的趋势,是否由于发动机工作时间的增加导致的性能衰减引起;3)通过样本数据假设检验方法,验证了不同试飞阶段的振动数据不属于同一个样本总体,这从侧面说明发动机振动特性随试飞时间的增加有较大的变化。上述结果仅是从前两个试飞阶段的振动数据分析得出的设想,第二阶段试飞架次较少,暂时无法证明该设想,需进一步积累整个试飞阶段数据,进一步分析发动机振动值随时间的变化情况。这是下一步需要进行的工作。

参考文献

[1]江龙平,徐可君,隋育松.航空发动机故障诊断技术[J].航空科学技术,2002(2),38-40.

[2]张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3]王树兰.某型航空发动振动故障诊断[D].长沙:湖南大学,2011.

[4]赵敏荣,杨增选,张善文.假设检验在模型验证中的应用[J].航空计算机,2003,33(1):1-3.

作者:文敏 郭海东 牛宏伟 雷晓波 单位:中国飞行试验研究院

假设检验下的发动机振动值统计

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