航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量和分析方法

(中航工程集成設(shè)備有限公司，北京 102206)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng)主要是轉(zhuǎn)子不平衡引起的周期振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)氣體流動(dòng)、燃燒等原因引起的隨機(jī)振動(dòng)的復(fù)合，由于裝配精度以及裝配過(guò)程中動(dòng)平衡的情況與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況的差異，實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子總是會(huì)存在一定的殘余不平衡量。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車測(cè)量整機(jī)振動(dòng)的目的是為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工、裝配及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)的一種手段。目前國(guó)內(nèi)仍有很多航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)使用的是模擬振動(dòng)測(cè)量?jī)x，配套專門的振動(dòng)傳感器完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)測(cè)量，選擇帶有濾波和積分功能的振動(dòng)信號(hào)放大器，濾波和積分選擇均需針對(duì)機(jī)型專門定制，靈活性不夠，同時(shí)也不能分析振動(dòng)頻率，滿足不了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析的要求。如何以合理的方法，選擇合適的振動(dòng)傳感器和振動(dòng)測(cè)量?jī)x，迅速準(zhǔn)確地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值并分析振動(dòng)頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)廠、所對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的要求。

1 整機(jī)振動(dòng)測(cè)量硬件組成

一般渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)最小工作狀態(tài)和最大工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍在300～60 000 rpm，因此由轉(zhuǎn)子引起的發(fā)動(dòng)機(jī)一階振動(dòng)頻率的范圍為5～1 000 Hz，這個(gè)頻率范圍的振動(dòng)正好與振動(dòng)速度傳感器的頻響范圍相吻合，因此目前仍有很多機(jī)種的發(fā)動(dòng)機(jī)采用振動(dòng)速度傳感器。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)—《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》也規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)用速度有效值表示。

振動(dòng)速度傳感器是利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)，它主要由磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。由于振動(dòng)速度傳感器質(zhì)量較重，使用溫度范圍較小(一般不大于200 ℃)，越來(lái)越多的新機(jī)種中的振動(dòng)傳感器使用了壓電式加速度傳感器。壓電加速度計(jì)是根據(jù)某些材料的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的，它輸出的電信號(hào)與振動(dòng)加速度成正比，通過(guò)積分電路可以測(cè)量振動(dòng)速度和振動(dòng)位移。壓電加速度計(jì)的頻率范圍寬，能夠設(shè)計(jì)成耐高溫型，能在高溫環(huán)境中有效地工作，現(xiàn)在壓電加速度計(jì)最高使用溫度為650 ℃，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位振動(dòng)測(cè)量的要求。由于壓電加速度計(jì)的頻響范圍較高，因此為了測(cè)量和分析5～1 000 Hz的振動(dòng)信號(hào)，就必須在測(cè)量系統(tǒng)中加入抗混濾波器， 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 整機(jī)振動(dòng)測(cè)量硬件系統(tǒng)框圖

壓電加速度計(jì)包括常規(guī)的加速度計(jì)和icp(integrated circuits piezoelectric)加速度計(jì)。常規(guī)的加速度計(jì)需要配套電荷放大器，而ICP型的加速度計(jì)由于內(nèi)部集成了放大電路，因此可以不用配套電荷放大器，測(cè)量系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。測(cè)量系統(tǒng)中選用的數(shù)據(jù)采集模塊必須帶有抗混濾波功能，否則有可能產(chǎn)生混疊效應(yīng)。

另外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)測(cè)量還需選擇合適的測(cè)振點(diǎn)安裝振動(dòng)傳感器，不同機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)有不同的測(cè)振點(diǎn)安裝要求。傳感器安裝支架的設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響最小，并且需有足夠的剛性。測(cè)振點(diǎn)選擇一般在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的前支承機(jī)匣和后支承機(jī)匣附近。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪附近由于有高溫燃?xì)?，其測(cè)點(diǎn)溫度一般比較高，需要對(duì)安裝在此處的振動(dòng)傳感器采取冷卻措施，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于有外涵，外部機(jī)匣的溫度不高，可以不用進(jìn)行冷卻。

2 整機(jī)振動(dòng)測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量軟件除了具備常規(guī)振動(dòng)測(cè)量軟件的功能外，還必須具備轉(zhuǎn)速測(cè)量及分析功能，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)多為雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，需要從振動(dòng)信號(hào)中提取出不同轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的振動(dòng)分量，該振動(dòng)分量的提取需要跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而改變。

本軟件功能劃分為有身份驗(yàn)證、系統(tǒng)自檢、測(cè)量硬件配置管理、測(cè)量方案配置管理、傳感器標(biāo)定、轉(zhuǎn)速信號(hào)獲取、振動(dòng)信號(hào)顯示及分析、歷史記錄存儲(chǔ)及回放、報(bào)表打印。

2.1 身份驗(yàn)證

系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的用戶名和密碼，確定當(dāng)前操作者的權(quán)限和使用功能。

用戶只有通過(guò)身份驗(yàn)證才能運(yùn)行系統(tǒng)。

每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)角色，每個(gè)角色對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限。

任何身份的人員只要密碼驗(yàn)證通過(guò)即可運(yùn)行本程序。

2.2 系統(tǒng)自檢

系統(tǒng)自檢是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的檢查，以確保系統(tǒng)在正常環(huán)境下運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

檢測(cè)項(xiàng)包含如下：

檢測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備狀態(tài)是否正常。檢查應(yīng)當(dāng)給出結(jié)論，提示給用戶。

檢測(cè)的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)異常，直接給出提示，如某設(shè)備連接出錯(cuò)等提示，指導(dǎo)操作人員排故。

2.3 測(cè)量硬件配置管理

測(cè)量硬件配置管理包括：

選擇采集設(shè)備，如為固定設(shè)備此項(xiàng)可不選；

選擇激活的采集通道(1～Max通道)；

設(shè)定采集卡的采集頻率及分析樣點(diǎn)數(shù)，樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定選擇為512/1024/2048/4096，缺省為1024；

為每個(gè)激活的采集通道設(shè)定輸入方式(ICP或電壓，缺省為電壓)；

為每個(gè)激活的采集通道設(shè)定耦合方式(缺省為AC耦合)；

為每個(gè)激活的采集通道設(shè)定量程輸入范圍；

為每個(gè)激活的采集通道設(shè)定傳感器類型(位移/速度/加速度)，以及靈敏度系數(shù)(位移對(duì)應(yīng)mv/mm，速度對(duì)應(yīng)mv/mm/s，加速度對(duì)應(yīng)mv/g或mv/m/s2)。

以上所有配置數(shù)據(jù)可以選擇保存在配置文件中。

2.4 測(cè)量方案配置管理

測(cè)量方案配置管理包括：

設(shè)定顯示的窗口數(shù)及窗口顯示內(nèi)容，窗口顯示內(nèi)容配置包括：窗口名稱、對(duì)應(yīng)測(cè)量通道、橫坐標(biāo)選擇(轉(zhuǎn)速/頻率/時(shí)間)、橫坐標(biāo)單位及上限線、縱坐標(biāo)單位及上限線、濾波參數(shù)設(shè)定(按數(shù)字IIR濾波規(guī)范設(shè)置濾波器參數(shù))、積分選擇、窗函數(shù)選擇(缺省為Flat Top)、當(dāng)前有效值顯示選擇、峰值顯示選擇、報(bào)警上限設(shè)定、分析頻率帶寬、轉(zhuǎn)速1分量顯示選擇、轉(zhuǎn)速2份量顯示選擇、主頻及主頻幅值顯示選擇、歷史記錄文件名，如果橫坐標(biāo)選擇轉(zhuǎn)速或有轉(zhuǎn)速分量顯示要求，需要提供轉(zhuǎn)速獲取途徑；

按照數(shù)字IIR濾波器規(guī)范設(shè)定濾波器參數(shù)；

在做了積分設(shè)定后，對(duì)應(yīng)的測(cè)量通道是加速度傳感器的，積分后縱坐標(biāo)顯示為速度，峰值、有效值、轉(zhuǎn)速分量等均顯示為速度，不再顯示加速度值；若用戶想觀察加速度信號(hào)，可以新建窗口，選擇相應(yīng)的測(cè)量通道，但不做積分設(shè)定。對(duì)應(yīng)的測(cè)量通道是速度傳感器的，積分后縱坐標(biāo)顯示為位移。

選擇橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，需設(shè)定縱坐標(biāo)顯示為峰值、有效值、轉(zhuǎn)速1分量、轉(zhuǎn)速2分量，可以設(shè)定振動(dòng)限制曲線，限制值可以設(shè)定為峰值、有效值、轉(zhuǎn)速1分量、轉(zhuǎn)速2分量；

選擇橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為振動(dòng)頻譜，可以設(shè)定顯示幅度譜或功率譜，缺省為幅度譜，可以設(shè)定按dB還是線性刻度，缺省為線性刻度，可以設(shè)定顯示主頻及主頻幅值，可以設(shè)定顯示振動(dòng)有效值，可以設(shè)定顯示轉(zhuǎn)速1分量、轉(zhuǎn)速2分量的對(duì)應(yīng)幅值；

選擇橫坐標(biāo)為時(shí)間，需設(shè)定橫坐標(biāo)單位及上限線、縱坐標(biāo)單位及上限線，可以顯示振動(dòng)有效值。

報(bào)警值可以設(shè)定為峰值、有效值、轉(zhuǎn)速1分量、轉(zhuǎn)速2分量，超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)對(duì)應(yīng)顯示控件閃爍；以上所有配置數(shù)據(jù)可以選擇保存在配置文件中。

2.5 傳感器標(biāo)定

此功能是為了得到傳感器的靈敏度系數(shù)，方法如下：

用戶將被標(biāo)定傳感器放置于標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)上，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的一組振動(dòng)值(峰值或有效值均可)，調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)到相應(yīng)的振動(dòng)值，點(diǎn)擊獲取鍵，即得到對(duì)應(yīng)傳感器靈敏度系數(shù)，可以在多個(gè)點(diǎn)獲取，最后獲得一個(gè)平均的靈敏度系數(shù)，軟件此時(shí)應(yīng)給出該傳感器的線性誤差，標(biāo)定結(jié)果可以打印。

2.6 轉(zhuǎn)速信號(hào)獲取

軟件可以通過(guò)接受外部數(shù)據(jù)的方法實(shí)時(shí)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(一般均為雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，因此有2個(gè)轉(zhuǎn)速)，該項(xiàng)功能設(shè)定后，測(cè)量方案配置中的轉(zhuǎn)速1分量、轉(zhuǎn)速2分量、橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)速等設(shè)置有效。

2.7 振動(dòng)信號(hào)顯示及分析

按工具欄運(yùn)行按鈕后軟件執(zhí)行該功能，該功能首先啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集器獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，然后按照測(cè)量方案的設(shè)置顯示數(shù)據(jù)。

在窗口內(nèi)除了顯示波形，還需按用戶的設(shè)定顯示振動(dòng)峰值、有效值、主頻及主頻幅值、轉(zhuǎn)速1分量的對(duì)應(yīng)幅值、轉(zhuǎn)速2分量的對(duì)應(yīng)幅值；

每個(gè)窗口有最大保持功能(以當(dāng)前通道的振動(dòng)有效值計(jì)算)，保留測(cè)得的最大振動(dòng)信號(hào)，用戶也可取消該項(xiàng)選擇；

用戶可以隨時(shí)對(duì)所有窗口暫停刷新數(shù)據(jù)，并對(duì)所有窗口的數(shù)據(jù)打印輸出；

用戶可以對(duì)所有窗口的數(shù)據(jù)保存記錄，并添加到記錄文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中；

用戶可以執(zhí)行停止操作，軟件關(guān)閉振動(dòng)信號(hào)顯示窗口；

用戶可以重新設(shè)定測(cè)量方案，然后再次進(jìn)入振動(dòng)信號(hào)顯示界面，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)顯示窗口的內(nèi)容按照新方案顯示。

2.8 歷史記錄存儲(chǔ)和回放

對(duì)于從數(shù)據(jù)采集器讀入的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶在測(cè)試方案配置中設(shè)置是否啟動(dòng)歷史記錄保存功能，文件名在測(cè)試方案設(shè)置中提前輸入。用戶啟動(dòng)振動(dòng)信號(hào)顯示分析功能時(shí)開(kāi)始記錄所有激活通道的數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶暫停顯示時(shí)或啟動(dòng)最大保持時(shí)，均不影響軟件在后臺(tái)記錄歷史數(shù)據(jù)，該歷史數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)采集器采集到的信號(hào)。當(dāng)用戶關(guān)閉振動(dòng)顯示窗口時(shí)結(jié)束歷史記錄存儲(chǔ)。

根據(jù)用戶選擇的歷史記錄文件回放數(shù)據(jù)，回放過(guò)程用戶可以拖動(dòng)回放進(jìn)度條選擇回放位置，讀到歷史記錄文件尾后程序自動(dòng)回到歷史記錄文件頭。回放過(guò)程可以根據(jù)用戶重新配置的測(cè)量方案進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)分析。

2.9 報(bào)表打印

用戶可以設(shè)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù)的模板。根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的模板加入振動(dòng)波形，還需按用戶的設(shè)定顯示振動(dòng)峰值、有效值、主頻及主頻幅值、轉(zhuǎn)速1分量的對(duì)應(yīng)幅值、轉(zhuǎn)速2分量的對(duì)應(yīng)幅值的信息；用戶可以實(shí)時(shí)打印或在回放數(shù)據(jù)時(shí)打印。

3 振動(dòng)信號(hào)濾波方法研究

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量需要分析轉(zhuǎn)子引起的振動(dòng)分量，因此振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)還需具備數(shù)字跟蹤濾波以及窄帶濾波的功能。

該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)不同方式的軟件濾波效果進(jìn)行研究，并找出最適合的濾波方式。試驗(yàn)方法: 通過(guò)安捷倫信號(hào)發(fā)生器發(fā)出掃頻頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀的抗混濾波并利用振動(dòng)分析軟件的帶通濾波功能顯示分析結(jié)果。

通過(guò)使用信號(hào)發(fā)生器在0～1 000 Hz掃頻試驗(yàn)，研究振動(dòng)分析軟件在常用的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)范圍20～300 Hz的的濾波效果，選用的數(shù)字IIR濾波器如下表：

表1 濾波器選擇表

不同濾波器的實(shí)際效果如下所示。

Butterworth濾波器濾波效果如圖2。

圖2 Butterworth濾波器

Chebyshev濾波器濾波效果如圖3。

圖3 Chebyshev濾波器

Inverse Chebyshev濾波器濾波效果如圖4。

圖4 Inverse Chebyshev濾波器

Elliptic濾波器濾波效果如圖5。

圖5 Elliptic濾波器

Bessel濾波器濾波效果如圖6。

圖6 Bessel濾波器

測(cè)量結(jié)果表明，選用Butterworth濾波器的濾波效果最好，最適合作為實(shí)際測(cè)量中選用的濾波器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠提出的通帶平滑度≤±5%，阻帶衰減大于-30 dB/倍頻程的濾波技術(shù)要求。

4 幅值譜分析中窗函數(shù)的選擇

通過(guò)振動(dòng)校驗(yàn)儀固定給出1 g的加速度振動(dòng)信號(hào)，使用加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，在幅值譜分析時(shí)通過(guò)加不同類型窗函數(shù)，得出試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 1 g加速度幅值下的測(cè)量結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：選用Flat Top窗可以獲取更高的測(cè)量精度。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)選用比較的傳感器為國(guó)產(chǎn)的YD611D型加速度傳感器、美國(guó)PCB公司的HT622A01型加速度傳感器以及丹麥B&K公司的4382V型加速度傳感器。其中YD611D型加速度傳感器、HT622A01型加速度傳感器均為ICP型加速度傳感器。

表3 傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

分別對(duì)3種規(guī)格的傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)方法分別將3種規(guī)格的傳感器安裝在E5501便攜振動(dòng)校驗(yàn)儀上，啟動(dòng)校驗(yàn)儀，分別測(cè)量校驗(yàn)儀發(fā)出的1 g標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，試驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證擬研制的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，以下是3種傳感器的試驗(yàn)結(jié)果：

YD611D測(cè)量結(jié)果如圖7。

圖7 YD611D測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過(guò)E5501便攜振動(dòng)校驗(yàn)儀發(fā)出的1 g標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)測(cè)結(jié)果為0.966 3 g。

HT622A01測(cè)量結(jié)果如圖8。

經(jīng)過(guò)E5501便攜振動(dòng)校驗(yàn)儀發(fā)出的1 g標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)測(cè)結(jié)果為0.995 6。

4382 V測(cè)量結(jié)果如圖9。

經(jīng)過(guò)E5501便攜振動(dòng)校驗(yàn)儀發(fā)出的1 g標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)測(cè)結(jié)果為1.019 5 g。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，表明所研究的ICP加速度傳感器與壓電加速度傳感器均能滿足GJB5543-2006《航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)通用要求》關(guān)于振動(dòng)測(cè)量精度的要求(<5%)。

圖8 HT622A01測(cè)量結(jié)果

圖9 4382V測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭建航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件及編寫振動(dòng)測(cè)量分析軟件，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)信號(hào)的分析方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量建議選擇壓電式加速度傳感器并使用帶有抗混濾波的差分放大器以消除頻率混疊和共模干擾，在振動(dòng)分析軟件處理中采用Butterworth濾波器和Flat Top窗，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠提出的通帶平滑度≤±5%，阻帶衰減大于-30 dB/倍頻程的濾波要求以及對(duì)振動(dòng)測(cè)量精度≤±5%的要求。本文提出的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量方法準(zhǔn)確可靠，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)廠、所對(duì)試車臺(tái)架整機(jī)振動(dòng)測(cè)量的要求。