葉片固有頻率測(cè)量系統(tǒng)數(shù)字化改造

■ 同更強(qiáng) 葉忠宇 張奇峰 / 中國(guó)航發(fā)西航

測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片固有頻率是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造過程的重要環(huán)節(jié)，通過對(duì)葉片固有頻率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，測(cè)量效率和準(zhǔn)確性得到了明顯提升。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是影響工作效率和使用安全的重要零件。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中出現(xiàn)葉片共振，從而導(dǎo)致葉片掉塊、斷裂等危及飛行安全的故障，必須通過選配來控制同一臺(tái)同級(jí)轉(zhuǎn)子葉片固有頻率的分散度。因此，測(cè)量轉(zhuǎn)子葉片固有頻率是葉片生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)能起到檢查葉片加工質(zhì)量的作用，如圖1所示。葉片固有頻率通過由電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)組成的測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)量。原測(cè)頻系統(tǒng)需要人工操作、判斷并記錄，操作復(fù)雜、工作效率低，大量數(shù)據(jù)無法便捷利用，不能滿足未來數(shù)字化智能化制造的轉(zhuǎn)型要求，因此需要進(jìn)行數(shù)字化改造。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片測(cè)頻實(shí)物及仿真

葉片固有頻率測(cè)量原理

測(cè)頻系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、葉片夾具、電渦流位移傳感器、前置放大器、位移監(jiān)視器、頻率計(jì)和示波器等組成。

檢驗(yàn)人員手動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器輸入電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)根據(jù)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

檢驗(yàn)人員觀察示波器上的振動(dòng)波形，當(dāng)振幅（位移）出現(xiàn)峰值時(shí)，判定葉片是否發(fā)生了共振。 若判定為共振，則記錄頻率計(jì)上顯示的頻率值為葉片的固有頻率；若判定不是共振，則繼續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器旋鈕，直到葉片發(fā)生共振。

葉片測(cè)頻過程存在的問題及改造目標(biāo)

葉片測(cè)頻過程一般為：裝夾葉片→調(diào)整電渦流位移傳感器與葉片間距→調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器激振頻率→觀察示波器振動(dòng)波形→判斷葉片是否發(fā)生共振→手工記錄葉片固有頻率→重復(fù)3次（每個(gè)葉片需測(cè)量一階彎曲、二階彎曲、一階扭轉(zhuǎn)、二階扭轉(zhuǎn)共4階固有頻率）→結(jié)束。

整個(gè)測(cè)頻過程存在以下問題：一是依靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)激振頻率、目視觀察示波器來判定葉片共振狀態(tài)，準(zhǔn)確性不高，需要多次反復(fù)調(diào)整；二是所有數(shù)據(jù)手工記錄，需要記錄零件信息及4階頻率值（一彎、一扭、二彎、二扭），記錄量大；三是測(cè)頻數(shù)據(jù)主要用于后續(xù)葉片選配，因此需要多次傳遞、復(fù)印、轉(zhuǎn)抄，紙質(zhì)報(bào)告的數(shù)據(jù)傳遞效率低，轉(zhuǎn)抄過程易出現(xiàn)人為差錯(cuò)。

針對(duì)原葉片測(cè)頻系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行數(shù)字化改造的目標(biāo)是：葉片固有頻率自動(dòng)判定；葉片測(cè)頻數(shù)據(jù)自動(dòng)采集；葉片測(cè)頻效率顯著提升。

數(shù)字化改造方案

保留原測(cè)頻系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生器、電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、葉片夾具及示波器，更換電渦流傳感器、前置放大器，新增數(shù)據(jù)采集卡、工控計(jì)算機(jī)，開發(fā)測(cè)頻軟件，改造后系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 改造后葉片測(cè)頻系統(tǒng)示意及工作原理

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)，振動(dòng)臺(tái)根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，激勵(lì)葉片產(chǎn)生同頻振動(dòng)。電渦流傳感器采集葉片振動(dòng)狀態(tài)葉尖處的形變位移，根據(jù)位移變化產(chǎn)生動(dòng)態(tài)感應(yīng)電流，經(jīng)由前置放大器的轉(zhuǎn)換和放大，輸出對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)電壓。一路動(dòng)態(tài)電壓輸入到示波器中顯示振動(dòng)波形；另一路輸入U(xiǎn)A205型數(shù)據(jù)采集卡，將動(dòng)態(tài)電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)測(cè)頻軟件，一方面顯示葉片振動(dòng)波形，與示波器形成冗余功能；另一方面通過數(shù)據(jù)處理得到葉片振動(dòng)的幅頻曲線，再通過計(jì)算、判定得到葉片固有頻率，將幅頻曲線和固有頻率顯示在軟件界面上。

改造技術(shù)要點(diǎn)

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

葉片的振動(dòng)信號(hào)是由電渦流位移傳感器采集，將葉片距離傳感器的位移轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)電壓。由于計(jì)算機(jī)軟件只能處理數(shù)字信息，因此，需要通過數(shù)據(jù)采集卡將動(dòng)態(tài)電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，采樣頻率是關(guān)系到能否準(zhǔn)確重構(gòu)原始信號(hào)和軟件分析計(jì)算效率的關(guān)鍵參數(shù)。一方面，采樣頻率過低，重新擬合后的波形會(huì)與實(shí)際振動(dòng)波形不符；另一方面，采樣頻率過高，會(huì)增加數(shù)據(jù)分析計(jì)算負(fù)擔(dān)，影響軟件運(yùn)行效率。改造中所用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的激振頻率小于等于5kHz，需要測(cè)量的葉片固有頻率不超過4kHz，因此將數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為40kHz，高于振動(dòng)信號(hào)頻率10 倍以上，足以保證采集信號(hào)的真實(shí)度。

傅里葉變換

電渦流位移傳感器采集到的是葉片距離傳感器的位移隨時(shí)間的變化曲線，稱為時(shí)域信號(hào)，不能直觀反映振幅與頻率的關(guān)系。而判斷葉片出現(xiàn)共振的最重要的依據(jù)是振動(dòng)頻率與固有頻率接近或相同時(shí)振幅出現(xiàn)峰值，不能通過時(shí)域信號(hào)直接判斷。

因此，通過傅里葉變換（FFT）對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理將位移時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為振幅頻域信號(hào),得到葉片振幅與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線，稱為幅頻曲線或幅頻圖，從而可以非常直觀地觀察到振幅峰值和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。

自動(dòng)判定固有頻率

改造中所選葉片需要測(cè)量4階固有頻率，固有頻率的理論值分別為128Hz、345 Hz、667Hz、1290Hz。測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率，從低到高依次通過葉片可能發(fā)生共振的頻率范圍，并在此范圍內(nèi)根據(jù)判定條件分析計(jì)算葉片的固有頻率，如圖3所示。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)振幅峰值，包含葉片的共振和高階諧振（當(dāng)激振頻率等于固有頻率的倍數(shù)時(shí)，葉片會(huì)發(fā)生高階諧振），因此如何設(shè)計(jì)判定條件（軟件算法），有效排除諧振產(chǎn)生的干擾信號(hào)，是準(zhǔn)確判定葉片固有頻率的關(guān)鍵。

圖3 葉片振動(dòng)的幅頻曲線與掃頻區(qū)域

改造中所選取的轉(zhuǎn)子葉片已有大量的測(cè)頻數(shù)據(jù)積累，對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以確定每一階固有頻率的分散范圍，一彎頻率在120 ～140Hz、一 扭 頻 率 在300 ～400Hz、二彎頻率在600 ～700Hz、二扭頻率在1230 ～1370Hz。因此，將這幾個(gè)頻率范圍設(shè)置為信號(hào)發(fā)生器的掃頻范圍和軟件的計(jì)算分析范圍，在測(cè)量時(shí)，激振頻率在預(yù)設(shè)的頻率范圍緩慢勻速通過，在其他范圍迅速通過；測(cè)頻軟件也只分析計(jì)算預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，可有效屏蔽大多數(shù)諧振干擾信號(hào)并提高測(cè)頻效率。

因?yàn)楣舱駮r(shí)的振幅一般大于高階諧振時(shí)的振幅，所以測(cè)頻軟件分別比較各預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)振幅峰值，取其每個(gè)頻率范圍內(nèi)最大振幅對(duì)應(yīng)的激振頻率為葉片的固有頻率。為了防止葉片共振頻率不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)導(dǎo)致誤判，需要設(shè)定最大振幅不能出現(xiàn)在預(yù)設(shè)頻率范圍的邊界上，此時(shí)可修改預(yù)設(shè)頻率范圍以便在更大的范圍內(nèi)搜索葉片的固有頻率。

數(shù)據(jù)采集傳遞

將數(shù)字化改造后的葉片測(cè)頻系統(tǒng)通過工控網(wǎng)與企業(yè)數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)集成，流程如圖4所示。數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)推送葉片測(cè)頻任務(wù)（包含葉片批次序號(hào)）給測(cè)頻系統(tǒng)，測(cè)頻系統(tǒng)完成葉片測(cè)頻操作、數(shù)據(jù)采集、打印測(cè)頻報(bào)告，同時(shí)將測(cè)頻數(shù)據(jù)（包含頻率值、檢驗(yàn)人員、時(shí)間等）上傳數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，并在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存檔、傳遞，供下游轉(zhuǎn)子葉片選配使用。

圖4 測(cè)頻系統(tǒng)與數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)集成

改造成效分析

對(duì)葉片測(cè)頻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造后，減化了操作步驟，測(cè)頻效率明顯提升，由原來的每件50s減少到35s。

對(duì)比改造前后同一批葉片的測(cè)頻數(shù)據(jù)，誤差控制在1Hz以內(nèi)，滿足控制要求。將原來由檢驗(yàn)人員判定葉片共振狀態(tài)改進(jìn)為軟件自動(dòng)分析計(jì)算，降低了對(duì)檢驗(yàn)人員的技能要求。從測(cè)頻機(jī)理分析，軟件計(jì)算得到的固有頻率值比人為判定得到的頻率值更準(zhǔn)確可靠。

結(jié)束語

測(cè)頻系統(tǒng)改造后，由原手工記錄、紙質(zhì)傳遞數(shù)據(jù)改進(jìn)為系統(tǒng)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞共享的方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)葉片測(cè)頻作業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，極大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)整理、分析和利用便捷性。