假設檢驗下的發動機振動值統計范文

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摘要:某型發動機在深化驗證和可靠性試飛期間，多次出現發動機振動值異常增大現象，且在試飛第二階段出現頻率較高。對該發動機機載振動值進行統計，從不同的角度對發動機振動值變化規律進行分析，并初步分析了原因。最后基于假設檢驗原理對不同樣本數據(不同試飛階段)的發動機振動值進行處理和分析，得出不同時期的振動數據大部分不滿足F分布或T分布，從而確定其不屬于同一個樣本總體，這從側面說明該發動機振動特性隨試飛時間的增加有較大的變化。

關鍵詞:機載振動值；F分布；T分布；樣本總體

引言

某型發動機深化驗證和可靠性試飛是在設計定型的基礎上進一步驗證發動機的可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性，為最后的定型使用提供支持;為進一步了解發動機在設計、生產中存在的問題和缺陷，完善設計提供技術依據。其中發動機振動特性驗證試飛，主要參考部隊戰斗和訓練大綱科目，通過地面裝機和飛行試驗，對被試發動機的振動進行測量和統計分析，進一步驗證其振動特性。航空發動機在研制和使用過程中無法避免地會出現振動問題，據統計，發動機約70%的故障是由振動導致或與振動有關［1］。某型發動機在發動機中介機匣上安裝有振動傳感器，通過數字電子控制器中的振動速度測量通道實現對發動機整機振動的監視［2］。該型發動機深化驗證和可靠性試飛自實施以來經歷了兩個試飛階段。第一階段自交付起共試飛143飛行架次;后由于返場分解排查故障并貫徹排故措施，完成排故后重新進行試飛工作。在第一階段試飛前期曾出現發動機振動值增大的現象，但由于未接近發動機振動限制值，未進行處理，正常完成試飛任務。但在第二試飛階段初期，多次出現振動異常增大的現象，主要出現在以下三個階段:a)地面慢車推至暖機過程;b)地面慢車狀態;c)空中下滑推油門過程。本文從發動機機載振動值統計的角度出發，對兩個試飛階段的機載振動最大值進行統計分析。分析發動機振動值隨時間的變化規律，從樣本假設檢驗的角度出發，對發動機振動值的樣本進行分析，分析得到在前后兩個試飛階段，發動機振動值不屬于同一個樣本，這說明前后試飛階段振動值的平均值及方差均有較大差異。

1發動機振動值統計分析

1．1統計階段劃分

根據該型號發動機設計特點及使用技術說明書，統計了試飛過程中發動機不同狀態下的機載振動最大值(B值)。不同B值代表的意義見表1，不同B值表示發動機工作的不同階段。為了便于進行分析，特將發動機振動最大值進行無量綱化，發動機振動最大值與振動限制值之比定義為相對振動最大值。

1．2前后兩階段趨勢分析

該型發動機深化驗證和可靠性試飛第一階段共統計143飛行架次，第二階段自裝機試飛以來共統計38飛行架次。前后兩個試飛階段共181飛行架次整架次振動最大值見圖1，從總體趨勢分析，發動機容易出現振動異常增大現象主要出現在裝發后前四十個飛行架次，包括第一、第二階段均出現這樣的現象，尤其第二階段出現異常增大的次數較第一階段多。而第二階段僅飛行了四十架次左右，后續發動機振動值的變化趨勢目前無法判斷。從整架次振動最大值統計分析圖來看，振動最大值隨飛行時間的變化有較小的增加趨勢，但并不明顯。

1．3不同階段統計分析

對不同發動機狀態振動最大值進行統計分析見圖2。B1－B7可以進一步分為四類:B1、B2－B4、B5、B6－B7。B2－B4歸為一類說明發動機地面暖機過程中出現的振動異常主要出現在地面全程N2大于70%以上，同時空中振動異常也是出現在空中全程N2大于70%以上狀態，因此將B6－B7歸為一類?？傮w來看，加力起飛過程振動最大值最為穩定，沒有出現振動異常增大的現象。從整個飛行架次的振動最大值隨時間的排列圖看，振動最大值隨服役時間的變化有較小的增加趨勢，但并不明顯?？紤]到振動最大值的出現具有隨機性，因此將整個試飛數據按照前后脫發時間點劃分為兩個階段，對兩個試飛階段的振動數據進行統計分析見表2，可以看到，第二階段不同過程的振動最大值的平均值均比第一階段大。增幅除B1和B5為15%左右，其余均有30%多的增幅，其中發動機暖機過程中的振動平均值增幅最大，為38．3%。這說明前后兩個階段發動機振動值有著較為明顯的變化。而考慮到脫發后返廠分解檢查并更換了NO．2支點主軸承等9項零組件并重新裝配，而裝配工藝(緊度配合)及主軸承的剛度對發動機振動特性有較大影響。因此初步分析前后兩個階段振動特性變化較大的原因是否可能是由于分解檢查更換零組件后重新裝配產生的。考慮到第一階段試飛架次數較多，為了更為詳細的分析機載振動最大值的變化規律，將第一階段的試飛數據按照時間前后順序平均分為三個樣本容量，包括第二階段的試飛架次共計四個相等的樣本容量，對其數據進行統計分析。對各樣本的均值及均方差進行統計分析見表3，四組樣本數據均值隨時間先后順序的變化規律見圖3，可以看到隨著發動機服役時間的增加，各個統計狀態的發動機機載振動最大值的平均值均有不同程度的增加，尤其第二階段樣本四和第一階段的前三個樣本數據對比變化較為明顯。此外機載振動最大值的平均值在地面起動過程中最小，在空中N2大于70%以上最大。通過圖3(b)樣本均方差可以看出，除加力起飛過程振動最大值(B5)外，其余B值方差均在兩個試飛初期較大，中間試飛階段隨著時間的推移有小幅的上升趨勢。對上述現象進行分析，產生的原因可能是:1)前后兩個試飛階段前均對發動機進行了裝配，在試飛前期發動機需要進行磨合，可能會導致試飛前期振動值較大，是否存在上述現象需要再繼續對第二階段試飛數據進行統計分析;2)在試飛第一階段除試飛初期四十個架次外(磨合期)，平均值及方差均隨試飛時間的增加有小幅增加的趨勢，這可能是由發動機工作時間的增加導致的性能衰減引起的。

2基于假設檢驗的發動機振動值統計分析

由于發動機不同狀態振動最大值隨環境等因素變化較大［3］，且同一狀態下的振動值具有分散性，因此試圖進一步從統計學角度進行深入分析。

2．1假設檢驗原理

由于發動機振動值的大小受眾多因素的影響，根據概率統計原理，假設同一狀態下的發動機振動最大值服從正態分布，對連續進行試驗測得的發動機振動最大值而言，其均值及方差表達式見(1)式:當檢驗兩個正態總體方差是否有差異時，常用F分布進行雙邊檢驗。當檢驗兩個總體均值是否有差異時常用T分布進行雙邊檢驗［4］。如滿足檢驗判別式(3)，說明在給定置信度下兩個樣本數據屬于同一總體，否則不屬于同一樣本總體。

2．2樣本數據分析

按照1．3節的思路將測得的發動機不同狀態的振動最大值按照時間先后順序分為四個樣本容量，每個樣本容量為38個飛行架次數據。進一步工作是對四個樣本數據是否屬于同一個樣本總體進行假設檢驗。按照式(1)－(3)對四個樣本數據中的發動機振動最大值進行假設檢驗，結果見表4。除少數樣本屬于同一個樣本總體，其余大部分統計樣本不滿足F分布或者T分布，即均值或者方差不屬于同一個樣本數據。上述假設檢驗結果可以從側面進一步說明隨著發動機工作時間的增加，兩個試飛階段發動機振動特性有較大變化。

3結論

本文通過對某型發動機深化驗證試飛以來的機載振動數據進行統計分析，并根據假設檢驗原理進行樣本數據假設檢驗分析，得到以下規律及思考:1)兩個試飛階段初期(前四十飛行架次)，是否由于發動機裝配等因素影響，在試飛前期需要進行發動機磨合，導致試飛前期振動值較大;2)發動機機載振動平均值及方差在發動機穩定運行期間均隨試飛時間的增加有小幅增加的趨勢，是否由于發動機工作時間的增加導致的性能衰減引起;3)通過樣本數據假設檢驗方法，驗證了不同試飛階段的振動數據不屬于同一個樣本總體，這從側面說明發動機振動特性隨試飛時間的增加有較大的變化。上述結果僅是從前兩個試飛階段的振動數據分析得出的設想，第二階段試飛架次較少，暫時無法證明該設想，需進一步積累整個試飛階段數據，進一步分析發動機振動值隨時間的變化情況。這是下一步需要進行的工作。

參考文獻

［1］江龍平，徐可君，隋育松．航空發動機故障診斷技術［J］．航空科學技術，2002(2)，38－40．

［2］張寶誠．航空發動機試驗和測試技術［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005．

［3］王樹蘭．某型航空發動振動故障診斷［D］．長沙:湖南大學，2011．

［4］趙敏榮，楊增選，張善文．假設檢驗在模型驗證中的應用［J］．航空計算機，2003，33(1):1－3．

作者：文敏 郭海東 牛宏偉 雷曉波 單位：中國飛行試驗研究院