吳長(zhǎng)波，敬發(fā)憲，崔海濤

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器安裝座振動(dòng)特性數(shù)值分析方法

吳長(zhǎng)波1，2，敬發(fā)憲2，崔海濤1

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

針對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣構(gòu)成的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率，從不同邊界處理方式，振動(dòng)傳感器、安裝座和整流機(jī)匣的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量等方面進(jìn)行分析，給出了各方面影響結(jié)果的對(duì)比，確定了振動(dòng)傳感器安裝座的振動(dòng)數(shù)值分析方法。利用敲擊法，對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配條件下的固有頻率進(jìn)行了測(cè)試與響應(yīng)分析，驗(yàn)證了該數(shù)值分析方法的有效性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；振動(dòng)測(cè)試；振動(dòng)傳感器安裝座；機(jī)匣；固有頻率；響應(yīng)分析

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中無(wú)法避免整機(jī)振動(dòng)，即使是生產(chǎn)定型發(fā)動(dòng)機(jī)，也常有一些因振動(dòng)不合格而不能出廠，或使用中因振動(dòng)問(wèn)題而提前返修[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，一般通過(guò)加速度或速度傳感器來(lái)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)[2]。加速度或速度傳感器通過(guò)安裝座固定在壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣及附件傳動(dòng)機(jī)匣的內(nèi)部或外部位置上，由振動(dòng)傳感器、安裝座和機(jī)匣構(gòu)成一個(gè)完整的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)。目前，針對(duì)振動(dòng)傳感器及其原理和信號(hào)傳輸方面的研究較多[3～5]，也有學(xué)者針對(duì)振動(dòng)傳感器在測(cè)試構(gòu)件不同位置的布設(shè)開(kāi)展了優(yōu)化研究[6，7]，但在與安裝座組成測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面關(guān)注較少，大多在實(shí)際工作中實(shí)測(cè)，效果不理想時(shí)臨時(shí)修改，造成較大反復(fù)并難以解決問(wèn)題。

振動(dòng)傳感器的安裝可能會(huì)嚴(yán)重影響其諧振頻率。安全可靠的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)可采集到有效的振動(dòng)信號(hào)，為發(fā)動(dòng)機(jī)安全提供有效保障；反之，將影響振動(dòng)信號(hào)的分析、判斷，小則影響試驗(yàn)的有效開(kāi)展，大則產(chǎn)生信號(hào)誤判，造成嚴(yán)重后果。本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)，研究了其安裝座固有頻率的數(shù)值分析方法，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率測(cè)試結(jié)果，對(duì)數(shù)值分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)

如圖1所示，某發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣機(jī)匣和后承力機(jī)匣處布置了振動(dòng)測(cè)量構(gòu)件系統(tǒng)，本文主要針對(duì)進(jìn)氣機(jī)匣位置處的水平振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行固有頻率分析方法研究。該振動(dòng)測(cè)量構(gòu)件系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、安裝座和整流機(jī)匣組成(圖2)，安裝座采用T型結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)螺釘固定在整流機(jī)匣上，振動(dòng)傳感器與安裝座采用正三角三螺釘連接。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器布置圖Fig.1 The vibration sensor layout of an aero-engine

圖2 整流機(jī)匣的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)Fig.2 Vibration test system of inlet casing

3 安裝座設(shè)計(jì)方法與驗(yàn)證

振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)可視為多自由度質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。從文獻(xiàn)[8]、[9]可知，視為無(wú)阻尼測(cè)量構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，主要與其剛度矩陣和質(zhì)量矩陣相關(guān)，即主要與振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)每一零件的質(zhì)量和組合剛度相關(guān)。為此，本文側(cè)重從構(gòu)件系統(tǒng)的邊界處理方式、振動(dòng)傳感器質(zhì)量和尺寸(直徑與高度)、安裝座和整流機(jī)匣尺寸等方面展開(kāi)研究。

3.1邊界處理方式對(duì)固有頻率的影響

采用三種不同的邊界處理方式對(duì)安裝座進(jìn)行振動(dòng)分析。

(1)僅考慮安裝座自身的振動(dòng)分析

采用有限元方法對(duì)安裝座自身進(jìn)行振動(dòng)分析，邊界條件為：選取與整流機(jī)匣聯(lián)接螺栓孔處的節(jié)點(diǎn)，并約束節(jié)點(diǎn)上三個(gè)方向的自由度。計(jì)算求得安裝座前兩階振動(dòng)的固有頻率分別為3 103 Hz和9 838 Hz。圖3為安裝座的有限元模型及一階振型，可見(jiàn)其主要表現(xiàn)為安裝振動(dòng)傳感器平臺(tái)的振動(dòng)。

圖3 安裝座有限元模型及一階振型Fig.3 Finite element model of mounting housing and vibration modes of first-order frequency

(2)考慮振動(dòng)傳感器和安裝座后的振動(dòng)分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)常用的振動(dòng)傳感器進(jìn)行稱重、體積推算和測(cè)振，給出振動(dòng)傳感器的密度和彈性模量等。對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其振動(dòng)分析邊界條件與僅考慮安裝座自身時(shí)的相同。計(jì)算求得振動(dòng)傳感器-安裝座構(gòu)件系統(tǒng)的前兩階固有頻率分別為1 432 Hz、5 571 Hz，對(duì)比僅考慮安裝座自身的頻率分析結(jié)果，其前兩階固有頻率分別下降了54%和43%。圖4給出了帶有振動(dòng)傳感器的安裝座有限元模型及一階振型，對(duì)比圖3可看出，此時(shí)的一階振動(dòng)不再是安裝振動(dòng)傳感器平臺(tái)的振動(dòng)，而表現(xiàn)為振動(dòng)傳感器的振動(dòng)。

(3)考慮振動(dòng)傳感器、安裝座和整流機(jī)匣后的振動(dòng)分析

將振動(dòng)傳感器固定在安裝座上，然后與選取的周向80°的一段整流機(jī)匣連接，組成一個(gè)振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)。對(duì)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其振動(dòng)分析的邊界條件為：將振動(dòng)傳感器-安裝座和選取的整流機(jī)匣配合處粘連，選取周向80°整流機(jī)匣周向斷面上的節(jié)點(diǎn)約束法向位移，及機(jī)匣軸向無(wú)安裝座連接面一側(cè)的斷面約束其軸向位移。計(jì)算求得振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的前兩階固有頻率分別為647 Hz、3 134 Hz，相對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率，其前兩階固有頻率分別下降了55%和44%。圖5給出了振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的有限元模型及一階振型，此時(shí)主要表現(xiàn)為振動(dòng)傳感器和安裝座振動(dòng)，與振動(dòng)傳感器-安裝座構(gòu)件系統(tǒng)的一階振型相似。

圖4 帶有振動(dòng)傳感器的安裝座有限元模型及一階振型Fig.4 Finite element model of mounting housing with sensor and vibration modes of first-order frequency

3.2振動(dòng)傳感器質(zhì)量及尺寸對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)頻率的影響

(1)振動(dòng)傳感器質(zhì)量的影響

假設(shè)振動(dòng)傳感器直徑和高度不變，振動(dòng)傳感器具有不同質(zhì)量時(shí)對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)固有頻率的影響如圖6所示。由圖中可看出，當(dāng)振動(dòng)傳感器質(zhì)量增大時(shí)，其前兩階固有頻率都表現(xiàn)出降低趨勢(shì)。從具體的固有頻率數(shù)值分析來(lái)看，振動(dòng)傳感器質(zhì)量每增加15 g，其固有頻率約下降8%～12%。

(2)振動(dòng)傳感器尺寸的影響

假設(shè)振動(dòng)傳感器的質(zhì)量不變，研究其直徑和高度存在變化時(shí)對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)固有頻率的影響。針對(duì)常用的兩種振動(dòng)傳感器的尺寸進(jìn)行對(duì)比，其一階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表中可看出，振動(dòng)傳感器的尺寸對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)固有頻率有較大影響。

3.3安裝座和整流機(jī)匣尺寸變化對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)頻率的影響

(1)安裝座尺寸變化的影響

圖5 振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的有限元模型及一階振型Fig.5 Finite element model of vibration specimen and vibration modes of first-order frequency

圖6 固有頻率隨振動(dòng)傳感器質(zhì)量變化曲線Fig.6 Inherent frequency vs.weight of vibration sensor

表1 不同尺寸振動(dòng)傳感器引起的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)固有頻率情況Table 1 Inherent frequency of vibration test system vs. vibration sensor of different sizes

針對(duì)圖3所示的T型支座，分析了安裝座平臺(tái)厚度d變化對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)頻率的影響。計(jì)算選取了除d有變化外、其它各處皆不變的振動(dòng)傳感器(傳感器2)-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)。計(jì)算得到的固有頻率及對(duì)比情況見(jiàn)表2。從表中看出，安裝座平臺(tái)厚度變化，對(duì)振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的頻率有較大影響，主要原因是其改變了測(cè)試系統(tǒng)的高度。

表2 安裝座厚度變化對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)頻率的影響Table 2 Various thicknessdVS.inherent frequency

(2)整流機(jī)匣尺寸變化的影響

采用相同的振動(dòng)傳感器(傳感器2)及安裝座(d= 8 mm)，選取不同周向角度整流機(jī)匣對(duì)振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)頻率進(jìn)行分析。當(dāng)整流機(jī)匣周向角度為80°時(shí)，求得振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的前兩階固有頻率分別為647 Hz和3 134 Hz；當(dāng)整流機(jī)匣周向角度為60°時(shí)，其前兩階固有頻率分別為740 Hz和3 894 Hz，變化幅度分別為14%和24%。

3.4試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配條件下，進(jìn)行了振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率測(cè)試。測(cè)試方法為敲擊法，用榔頭輕敲振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。圖7給出了振動(dòng)傳感器(傳感器2)-安裝座(d=8 mm)-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率頻譜分析圖，由圖中可看出，該振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率為650 Hz。與前面的計(jì)算對(duì)比分析可知，在整流機(jī)匣周向角度為80°，安裝座平臺(tái)厚度為8 mm，且全面考慮振動(dòng)傳感器、安裝座和整流機(jī)匣等邊界后，振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率為647 Hz，與試驗(yàn)測(cè)試的頻率值非常接近。

初期的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，在工作轉(zhuǎn)速換算頻率為650 Hz附近時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)值最大達(dá)到70g，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；將安裝座平臺(tái)厚度修改為5 mm后，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)值降低到15g以下。這也可以看出，設(shè)計(jì)的振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)頻接近時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)值非常大，且主要表現(xiàn)為振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率，不能為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)分析提供有利的數(shù)據(jù)。因而在設(shè)計(jì)安裝座時(shí)，應(yīng)盡可能考慮振動(dòng)傳感器和機(jī)匣的影響，設(shè)計(jì)出避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)的振動(dòng)傳感器安裝座，可為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供可靠的振動(dòng)分析信號(hào)，避免誤判。

圖7 振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率頻譜分析圖Fig.7 Frequency spectra analysis of inherent frequency of vibration specimen

4 結(jié)論

(1)在進(jìn)行安裝座設(shè)計(jì)時(shí)，不能只考慮安裝座自身的結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分考慮振動(dòng)傳感器和機(jī)匣的影響。

(2)本文提出的分析思路和方法，可準(zhǔn)確分析出振動(dòng)傳感器-安裝座-整流機(jī)匣振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)的固有頻率，確保發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)能有效避開(kāi)構(gòu)件系統(tǒng)固有頻率的影響。

[1]張寶誠(chéng)，陳本柱，盛元生.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1989.

[2]馬建倉(cāng)，劉小龍.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的早期故障分析[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(2)：276—179.

[3]張?jiān)?壓電式振動(dòng)傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試中性能評(píng)價(jià)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1994，(2)：35—40.

[4]張宬，艾延廷，劉秀芳.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ǖ暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器故障診斷技術(shù)研究[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25(4)：5—8.

[5]曲波，肖圣兵，呂建平.工業(yè)常用傳感器選型指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[6]Kammer D C，Tinker M L.Optimal Placement of Triaxial Accelerometers for Modal Vibration Tests[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2004，(18)：29—41.

[7]張連振，黃僑，王潮海.基于多目標(biāo)遺傳算法的傳感器優(yōu)化布點(diǎn)研究[J].工程力學(xué)，2007，24(4)：168—172.

[8]諸德超，刑譽(yù)峰.工程振動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[9]Rao S S.機(jī)械振動(dòng)[M].李欣業(yè)，張明路，譯.4版.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Numerical Analysis Method for Vibration Sensor Mounting Housing of an Aero-Engine

WU Chang-bo1，2，GOU Fa-xian2，CUI Hai-tao1
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on the inherent frequency of vibration monitor system consisting of sensor,mounting hous?ing and casing,analyses were presented from different boundary,structure sizes and mass.Comparison of effect results has been made to determine the numerical analysis method of vibration sensor mounting house.Using coin-tap method,test and response analysis of the inherent frequency for vibration monitor system have been carried out.The analytic method has been verified to be effective.

aero-engine；vibration test；vibration sensor mounting housing；casing；inherent frequency；response analysis

V231.92

A

1672-2620(2013)03-0034-04

2012-11-30；

2013-01-29

吳長(zhǎng)波(1974-)，男，山東萊陽(yáng)人，研究員，博士研究生，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。