基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的碰摩特征測(cè)試

金業(yè)壯，王德友，聞邦椿

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)110136；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的碰摩特征測(cè)試

金業(yè)壯1,2，王德友3，聞邦椿1

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)110136；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器模擬不同部位的碰摩，測(cè)試獲得碰摩時(shí)機(jī)匣的加速度響應(yīng)信號(hào)，并與無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣加速度時(shí)、頻域波形進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子—機(jī)匣碰摩時(shí)，其加速度信號(hào)具有沖擊、調(diào)幅特征，即在碰摩頻率及其整數(shù)倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉(zhuǎn)頻率。同時(shí)，與無(wú)碰摩狀態(tài)相比，在低頻段時(shí)碰摩特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其倍頻分量，且倍頻分量更加突出。

振動(dòng)與波；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器；碰摩；調(diào)幅特征

碰摩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)一種常見(jiàn)的強(qiáng)非線性故障，初期和中期碰摩故障常包含沖擊信號(hào)特征，它不僅影響設(shè)備的使用壽命，還會(huì)造成較嚴(yán)重后果,甚至引發(fā)機(jī)毀人亡的惡性事故[1，2]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)碰摩故障進(jìn)行了一定程度的理論與試驗(yàn)研究[3-9]。晏礪堂等[10]通過(guò)理論和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生動(dòng)靜件碰摩時(shí)，除出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的基頻振動(dòng)外，當(dāng)發(fā)生碰摩時(shí)還會(huì)出現(xiàn)多種倍頻、分頻成分以及以?xún)赊D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率為主的多種復(fù)合頻率成分。高艷蕾等[11]以轉(zhuǎn)子—機(jī)匣模型試驗(yàn)器為對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究方式模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中的典型碰摩故障，總結(jié)了轉(zhuǎn)、靜件碰摩故障特征譜。陳果等[12]針對(duì)實(shí)際的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，建立了含碰摩故障的轉(zhuǎn)子—滾動(dòng)軸承—支承—機(jī)匣耦合動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)，利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器及其故障信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了碰摩故障實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。陳果等13]還提出一種基于倒頻譜分析方法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜碰摩部位識(shí)別新方法，該方法直接對(duì)機(jī)匣測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行倒頻譜分析，可以分離出反映碰摩部位的傳遞特征信息，進(jìn)而提取出了20個(gè)碰摩部位的識(shí)別特征。符嬈等[14]利用小波分析方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障信號(hào)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)利用小波分析方法可以有效地濾除高頻噪聲，使得故障特征的觀察和提取更加方便。馬中存等[15]利用有限元與包絡(luò)解調(diào)方法研究碰摩故障下靜子振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明。該方法能夠從強(qiáng)大背景信號(hào)與噪聲中提取高頻碰摩故障信息。于明月等[16]提出了基于機(jī)匣加速度信號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜碰摩部位識(shí)別方法。利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器模擬了大量不同部位的碰摩，采用直接提取機(jī)匣加速度信號(hào)歸一化均方值和提取機(jī)匣加速度信號(hào)小波極大模歸一化能量特征的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)轉(zhuǎn)靜碰摩部位進(jìn)行了識(shí)別。但上述研究還存在一些問(wèn)題，部分學(xué)者所做實(shí)驗(yàn)只是為了驗(yàn)證某種理論，且有些研究結(jié)論離實(shí)際應(yīng)用還存在一定的距離。

本文利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器模擬了不同部位的碰摩，通過(guò)試驗(yàn)研究方式獲得了碰摩時(shí)機(jī)匣的加速度響應(yīng)信號(hào)，并與無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣加速度時(shí)、頻域波形進(jìn)行了對(duì)比，以期獲得轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣碰摩的特性和規(guī)律。

1 碰摩實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

利用帶機(jī)匣的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器進(jìn)行了不同部位的碰摩故障試驗(yàn)。機(jī)匣為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的薄壁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)軸—輪盤(pán)—葉片結(jié)構(gòu)，碰摩發(fā)生在渦輪機(jī)匣端。實(shí)驗(yàn)時(shí)在渦輪機(jī)匣處設(shè)計(jì)了四個(gè)碰摩螺釘，實(shí)現(xiàn)四個(gè)部位的碰摩實(shí)驗(yàn)，沿渦輪機(jī)匣相應(yīng)布置4個(gè)加速度傳感器，并采集機(jī)匣加速度信號(hào)。圖1給出了試驗(yàn)器實(shí)物圖以及傳感器的安裝位置，圖2為以面向渦輪機(jī)匣為標(biāo)準(zhǔn)的碰摩部位以及4個(gè)加速度傳感器的安裝方向示意圖，CH1—CH4分別表示4個(gè)加速度傳感器所對(duì)應(yīng)的測(cè)試通道。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器實(shí)物及傳感器位置

圖2 傳感器及碰摩位置分布圖

測(cè)試時(shí)采用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備器為NI公司的USB 9234，采樣頻率為10 240 Hz，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。采用東大儀器廠SE系列電渦流位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、丹麥B&K公司的4508型加速度傳感器測(cè)量加速度。測(cè)試時(shí)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速為1 489 r/min，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率為24.8 Hz，葉片總數(shù)為32個(gè)。

2 碰摩時(shí)機(jī)匣加速度特征測(cè)試

在垂直碰摩的情況下，測(cè)試獲取渦輪機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）對(duì)應(yīng)的加速度傳感器的響應(yīng)信號(hào)。圖3和圖4分別給出了轉(zhuǎn)靜碰摩發(fā)生在垂直方向上方時(shí)，機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的時(shí)域波形和局部放大波形。圖5、圖6和圖7分別為該測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形對(duì)應(yīng)的頻譜及其不同頻段的局部放大圖。

圖3 碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的時(shí)域波形

3 無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣加速度特征測(cè)試

無(wú)碰摩的情況下，同樣測(cè)試獲取渦輪機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）對(duì)應(yīng)的加速度傳感器的響應(yīng)信號(hào)。圖8和圖9分別為無(wú)轉(zhuǎn)靜碰摩時(shí)，機(jī)匣垂直上測(cè)點(diǎn)（CH1）的時(shí)域波形和局部放大波形。圖10和圖11分別為該測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形對(duì)應(yīng)的頻譜及其局部放大圖。

圖4 碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的局部放大波形

圖5 碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的頻譜

圖6 碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）頻譜（局部放大）

圖7 碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）頻譜（局部放大）

圖8 無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的時(shí)域波形

圖9 無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的局部放大波形

圖10 無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）的頻譜

圖11 無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣垂直方向上測(cè)點(diǎn)（CH1）頻譜（局部放大）

4 碰摩特征測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比碰摩與無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣加速度信號(hào)的時(shí)、頻域波形，可以得出如下結(jié)論：

（1）由于試驗(yàn)器采用的是轉(zhuǎn)子—輪盤(pán)—葉片結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)碰摩發(fā)生時(shí)，每個(gè)葉片將輪流碰撞碰摩點(diǎn)，即當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，這種作用將循環(huán)一次。此時(shí)，由碰摩引起的振動(dòng)非常類(lèi)似齒輪的振動(dòng)，其碰摩頻率相當(dāng)于齒輪的嚙合頻率，為葉片數(shù)乘以旋轉(zhuǎn)頻率。而振動(dòng)的大小又受到旋轉(zhuǎn)頻率的幅值調(diào)制的影響，所以才會(huì)在頻譜中表現(xiàn)出明顯的調(diào)幅特征，即在碰摩頻率及其整數(shù)倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉(zhuǎn)頻率；

試驗(yàn)中試驗(yàn)器旋轉(zhuǎn)頻率為24.8 Hz，葉片數(shù)目為32，碰摩頻率為794 Hz，從圖5可以發(fā)現(xiàn)明顯的碰摩頻率及其整數(shù)倍頻，即794 Hz、2 382 Hz、3 176 Hz、和3 970 Hz等。同時(shí)，在它們附近還存在許多邊頻，邊頻寬度為旋轉(zhuǎn)頻率24.8 Hz，這點(diǎn)可以在圖6得到驗(yàn)證，從圖中可以很明顯地看出在794 Hz附近以24.8 Hz為間隔的邊頻成分；

（2）對(duì)比正常的無(wú)碰摩時(shí)機(jī)匣振動(dòng)加速度信號(hào)特征，可以看出，無(wú)碰摩時(shí)信號(hào)中不存在調(diào)幅特征，也不存在轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍頻率成分；

（3）在低頻段，碰摩時(shí)機(jī)匣加速度特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其倍頻分量，且與無(wú)碰摩狀態(tài)相比，倍頻分量更加突出。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子—機(jī)匣的碰摩時(shí)，其加速度信號(hào)具有沖擊、調(diào)幅特征，即在碰摩頻率及其整數(shù)倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉(zhuǎn)頻率。同時(shí)，與無(wú)碰摩狀態(tài)相比，在低頻段時(shí)碰摩特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其倍頻分量，且倍頻分量更加突出。

本文研究結(jié)果可為后續(xù)的仿真分析結(jié)果提供依據(jù)，為其它實(shí)驗(yàn)條件下的碰摩試驗(yàn)提供重要參考。

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Rubbing Characteristic Test Based on an Aeroengine Rotor-stator Testing Rig

JIN Ye-zhuang1,2,WANG De-you3,WEN Bang-chun1
(1.School of Mechanical Engineering&Automation,Northeastern University, Shenyang 110819,China; 2.College ofAerospace Engineering,ShenyangAerospace University,Shenyang 110136,China; 3.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China)

Using the aeroengine’s rotor-stator testing rig,the rub-impact performance of the rotor-stator system was simulated,and the acceleration signals and the wave forms in frequency domain of the rotor-stator case under rub-impact status were obtained and compared with those without rub-impact phenomenon.The results show that when the rub-impact happens,the acceleration signals have impact and amplitude modulation characteristics,i.e.there exist some sidebands in the vicinity of rubbing frequency and the n-th harmonic frequencies(where n is an integer).In the low frequency range,the rubbing was characterized by the rotation frequency and the n-th harmonic components,and usually these components were more obvious than the former.

vibration and wave;aeroengine;rotor-stator testing rig;rubbing;amplitude modulation

TB535

代碼：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.044

1006-1355(2015)03-0204-04

2014－12－20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(N110203001)

金業(yè)壯(1964－)，男，沈陽(yáng)人,博士研究生,副教授，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析及測(cè)試。Email:jyz8133@163.com。