陳 果，馮國(guó)權(quán)，姜廣義，李成剛，王德友

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩故障的機(jī)匣振動(dòng)加速度特征分析及驗(yàn)證

陳 果1，馮國(guó)權(quán)2，姜廣義2，李成剛2，王德友2

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

為了提取葉片機(jī)匣碰摩狀態(tài)下的機(jī)匣振動(dòng)加速度特征，利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型的試驗(yàn)器，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子葉片-機(jī)匣的單點(diǎn)碰摩和偏摩試驗(yàn)，通過(guò)頻譜分析和倒頻譜分析方法，分析了機(jī)匣振動(dòng)加速度信號(hào)的碰摩特征，結(jié)果表明：機(jī)匣振動(dòng)加速度具有明顯的周期沖擊特征，其沖擊頻率為旋轉(zhuǎn)頻率與葉片數(shù)的積，在頻譜上出現(xiàn)了該沖擊頻率及其倍頻，沖擊的大小受旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制，在頻率上表現(xiàn)出沖擊頻率及其倍頻兩側(cè)出現(xiàn)了以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶族。從倒頻譜圖中可以明顯看出轉(zhuǎn)頻及其倍頻的倒頻率成分，并用實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了分析結(jié)果。

碰摩；葉片-機(jī)匣；加速度信號(hào)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；振動(dòng)

0 引言

為了繼續(xù)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和結(jié)構(gòu)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)、靜件間隙被不斷縮小，這就加劇了轉(zhuǎn)靜間的碰摩可能性，其中葉片-機(jī)匣間的碰摩尤其突出。轉(zhuǎn)、靜碰摩故障的嚴(yán)重后果將使轉(zhuǎn)、靜子的間隙增大、軸承磨損、葉片折斷直至機(jī)械失效[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碰摩故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理和碰摩試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究[4-16]，認(rèn)識(shí)了由碰摩故障導(dǎo)致的波形截頭、倍頻、分頻以及混沌等特征和現(xiàn)象，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性[7-9]。然而，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其碰摩故障的主要特點(diǎn)在于：（1）機(jī)匣屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)；（2）主要體現(xiàn)為葉片-機(jī)匣碰摩；（3）通常只能測(cè)取機(jī)匣的振動(dòng)加速度，而無(wú)法得到轉(zhuǎn)子上的振動(dòng)位移?，F(xiàn)有的理論分析和試驗(yàn)由于未充分考慮上述特征，難以直接應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的碰摩故障診斷。由此可見(jiàn)，研究葉片-機(jī)匣碰摩下機(jī)匣振動(dòng)加速度信號(hào)特征和規(guī)律，對(duì)于有效地識(shí)別航空發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩故障具有重要實(shí)用價(jià)值。

本文通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的單點(diǎn)碰摩和偏摩試驗(yàn)，測(cè)取機(jī)匣振動(dòng)加速度信號(hào)，進(jìn)行葉片-機(jī)匣碰摩下的信號(hào)分析，獲得轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣碰摩的特性和規(guī)律。最后，利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車(chē)過(guò)程中的碰摩故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的碰摩特征分析

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器碰摩試驗(yàn)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的碰摩試驗(yàn)沒(méi)有考慮航空發(fā)動(dòng)機(jī)的薄壁結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子-輪盤(pán)-葉片結(jié)構(gòu)，因此，其碰摩特征難以與實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)的接近。本文利用中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所設(shè)計(jì)研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器進(jìn)行碰摩試驗(yàn)，該試驗(yàn)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上首先考慮支承分布、機(jī)匣剛度分布和力的傳遞特征，在外形上與發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的機(jī)匣一致，尺寸縮小3倍；內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了必要簡(jiǎn)化，將核心機(jī)簡(jiǎn)化為0—2—0支承結(jié)構(gòu)形式，并設(shè)計(jì)了可調(diào)剛度支承結(jié)構(gòu)以調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)力特性；將多級(jí)壓氣機(jī)簡(jiǎn)化為單級(jí)盤(pán)片結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上形成轉(zhuǎn)子-支承-葉盤(pán)-機(jī)匣系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)用扳手?jǐn)Q碰摩螺栓，使碰摩環(huán)變形，從而與旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片產(chǎn)生單點(diǎn)碰摩，也可通過(guò)1個(gè)渦輪螺桿機(jī)構(gòu)調(diào)整軸承座位置使整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)相對(duì)機(jī)匣移動(dòng)，從而使葉片-機(jī)匣偏摩。當(dāng)碰摩嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生火花。

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。試驗(yàn)時(shí)在渦輪機(jī)匣處設(shè)計(jì)4個(gè)碰摩螺釘，實(shí)現(xiàn)4個(gè)部位的碰摩，沿渦輪機(jī)匣相應(yīng)布置4個(gè)加速度傳感器以采集機(jī)匣加速度信號(hào)，并在渦輪機(jī)匣上方設(shè)置徑向/切向測(cè)點(diǎn)，比較碰摩時(shí)徑向加速度和切向加速度的大小，同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)子偏向機(jī)匣一側(cè)的偏摩試驗(yàn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器如圖1所示；碰摩位置和渦輪機(jī)匣徑向測(cè)點(diǎn)周向分布如圖2所示，從圖中可見(jiàn)以面向渦輪機(jī)匣為標(biāo)準(zhǔn)碰摩部位和傳感器的安裝方向，表明4個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的測(cè)試通道。碰摩試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，選取2天典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器

圖2 渦輪機(jī)匣徑向測(cè)點(diǎn)周向分布

表1 碰摩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 單點(diǎn)碰摩時(shí)機(jī)匣測(cè)點(diǎn)響應(yīng)分析

在垂直碰上的情況下，對(duì)2012年5月12日第1次試驗(yàn)垂直測(cè)點(diǎn)（CH1）的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1489 r/min=24.8 Hz，信號(hào)的時(shí)域波形如圖3、4所示，其中，圖4為圖3的局部放大。信號(hào)頻譜如圖5～7所示，其中，圖7為圖5的局部放大1，圖6為圖5的局部放大2。信號(hào)的倒頻譜如圖8所示。

圖3 CH1碰上時(shí)域波形

圖4 CH1碰上時(shí)域波形（圖3局部放大）

圖5 CH1碰上頻譜

圖6 CH1碰上頻譜（圖5局部放大2）

圖7 CH1碰上頻譜（局部放大1）

圖8 倒頻譜

由于試驗(yàn)器采用的是轉(zhuǎn)子-輪盤(pán)-葉片結(jié)構(gòu)，當(dāng)碰摩發(fā)生時(shí)，每個(gè)葉片將輪流碰撞碰摩點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，這種作用將循環(huán)1次，因此，由碰摩引起的沖擊頻率為葉片數(shù)乘以旋轉(zhuǎn)頻率，即為葉片通過(guò)機(jī)匣的頻率。由于轉(zhuǎn)子在不平衡力激勵(lì)下的渦動(dòng)，碰摩沖擊大小又受到旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，從而在頻譜中表現(xiàn)出明顯的調(diào)幅特征，即在葉片通過(guò)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)器轉(zhuǎn)速為1489 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為24.8 Hz，葉片數(shù)目為32，葉片通過(guò)頻率為794 Hz，在圖5表現(xiàn)出了葉片通過(guò)頻率及其整數(shù)倍頻，即794、588、2382、176、3970 Hz，在這些頻率值附近均存在許多邊頻，邊頻寬度為旋轉(zhuǎn)頻率24.8 Hz，圖6為在794 Hz附近的局部放大，從圖中可以很明顯地看出，794 Hz附近的以24.8 Hz為間隔的邊頻。在倒頻譜中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)頻及其倍頻對(duì)應(yīng)的倒頻率成分如圖8所示。低頻段頻譜如圖7所示，從圖中可見(jiàn)碰摩引起了低頻段的較大的倍頻分量。

為了進(jìn)行比較，在不碰的情況下，對(duì)2012年5 月12日第1次試驗(yàn)的垂直測(cè)點(diǎn)（CH1）的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。CH1信號(hào)的時(shí)域波形（無(wú)碰摩）如圖9所示，CH1信號(hào)的頻譜（無(wú)碰摩）如圖10所示，CH1信號(hào)的低頻段頻譜（無(wú)碰摩）如圖11所示，CH1信號(hào)的倒頻譜如圖12所示。對(duì)比圖3～8可見(jiàn)，在無(wú)碰摩時(shí)，信號(hào)不存在葉片通過(guò)頻率的整數(shù)倍頻率成分，也不存在調(diào)制現(xiàn)象，在倒頻譜中沒(méi)有轉(zhuǎn)頻及其倍頻對(duì)應(yīng)的倒頻率成分。另外，在低頻段，碰摩時(shí)的機(jī)匣加度特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其倍頻分量，與不碰狀態(tài)下相比，倍頻分量更為突出。

圖9 CH1信號(hào)的時(shí)域波形（無(wú)碰摩）

圖10 CH1信號(hào)的頻譜（無(wú)碰摩）

圖11 CH1信號(hào)的低頻段頻譜（無(wú)碰摩）

圖12 CH1信號(hào)的倒頻譜

1.3 偏摩時(shí)機(jī)匣測(cè)點(diǎn)響應(yīng)分析

在偏右碰摩的情況下，對(duì)2013年4月29日第1次試驗(yàn)的渦輪機(jī)匣上方測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1199 r/min=20 Hz，CH2碰上時(shí)域波形如圖13所示，其中，圖14為圖13的局部放大。其信號(hào)頻譜分別如圖15、17所示，其中，圖17為圖15的局部放大1，圖16為圖15的局部放大2。信號(hào)的倒頻譜如圖18所示。

從圖中可見(jiàn)，偏摩時(shí)的機(jī)匣加速度信號(hào)特征與單點(diǎn)碰摩完全相同，具有周期沖擊、且幅值受到旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制的特征，在頻譜上出現(xiàn)了葉片通過(guò)頻率及其整數(shù)倍頻，在葉片通過(guò)頻率及其整數(shù)倍頻兩側(cè)存在調(diào)制邊頻，在倒頻譜上出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)頻及其倍頻的倒頻率成分。

圖13 CH2碰上時(shí)域波形

圖14 CH2碰上時(shí)域波形（圖13局部放大）

圖15 CH2碰上頻譜

圖16 CH2碰上頻譜（圖15局部放大2）

圖17 CH2碰上頻譜(圖15局部放大1)

圖18 信號(hào)的倒頻譜

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際碰摩故障數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及原始振動(dòng)信號(hào)

某彈用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖19所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)為一單轉(zhuǎn)子0-2-0支承系統(tǒng)，包括1個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和1個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子。發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅前支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中介機(jī)匣上布置了1個(gè)測(cè)點(diǎn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)在某次試車(chē)出現(xiàn)的振動(dòng)超標(biāo)時(shí)機(jī)匣振動(dòng)加速度時(shí)間歷程如圖20所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?0000 r/min上升到50000、55000、58000 r/min，再回到5000 r/min，最后回到30000 r/min。2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析

圖19 某型彈用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖20 機(jī)匣振動(dòng)加速度時(shí)間歷程

振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖21所示，其中圖21（a）為加速度1×、2×、3×、4×分量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線，圖21（b）為加速度1×、2×、3×、4×綜合有效值隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)：（1）轉(zhuǎn)速?gòu)?0000～50000 r/min變化過(guò)程中，振動(dòng)值逐漸增大，在50000 r/min附近振動(dòng)出現(xiàn)了很大的波動(dòng)；（2）在除50000 r/min轉(zhuǎn)速以外的所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，1×分量均遠(yuǎn)大于2×、3×、4×分量。而在50000 r/min轉(zhuǎn)速附近，3×分量大于1×分量。從圖21（b）中可見(jiàn)50000 r/min的振動(dòng)有效值達(dá)到了110g，明顯高于其他轉(zhuǎn)速區(qū)域。

圖21 轉(zhuǎn)速-振幅曲線

將整個(gè)振動(dòng)過(guò)程分為 S1:125～350 s、S1: 350～600 s、S1:600～850 s 3段。時(shí)間段S1、S2、S3 的3維瀑布圖分別如圖22～24所示。從3維瀑布圖中明顯可見(jiàn)，在3000 r/min附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯的13倍頻、而在50000、55000、56000、58000 r/min等轉(zhuǎn)速附近均出現(xiàn)了明顯的13倍頻。而該發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片數(shù)正好為13個(gè)。

轉(zhuǎn)速為50812 r/min的頻譜及其縱坐標(biāo)放大如圖25～26所示；轉(zhuǎn)速為54750、56625、58500 r/min的頻譜分別如圖27～29所示。從圖中可見(jiàn)，在50812 r/min時(shí)，13倍頻達(dá)到了140g，且兩側(cè)出現(xiàn)了較大的12倍頻和14倍頻，即13倍頻兩側(cè)出現(xiàn)了以轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊頻。在低頻段，3倍頻明顯大于了1倍頻。而在54750 r/min時(shí)，13倍頻僅為25g，在56625 r/min時(shí)，13倍頻僅為20g，在58500 r/min時(shí)，13倍頻僅為40g。且13倍頻兩側(cè)的12倍頻和14倍頻分量均很小。而在低頻段也是1倍頻分量明顯高于2倍頻和3倍頻分量。

圖22 S1:125～350 s段3維瀑布圖

圖23 S2:350～600 s段3維瀑布圖

圖24 S3:600～850 s段3維瀑布圖

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)論

從振動(dòng)信號(hào)分析中可以得出如下結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)在50000 r/min附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)靜碰摩，其需要依據(jù)和信號(hào)特征體現(xiàn)在：

（1）在轉(zhuǎn)速為50000 r/min附近振動(dòng)有效值高達(dá)110 g；且振動(dòng)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。

（2）在轉(zhuǎn)速為50000 r/min附近，葉片通過(guò)頻率（即13倍頻分量）劇增，由碰摩產(chǎn)生的13倍頻分量疊加在由于氣動(dòng)力產(chǎn)生的13倍頻分量上，從而導(dǎo)致該頻率成分急劇增加，且碰摩程度越嚴(yán)重，該分量將變得越大。同時(shí)，在葉片通過(guò)頻率附近將產(chǎn)生以轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊頻。而在其他轉(zhuǎn)速下，雖然由于氣動(dòng)力產(chǎn)生的13倍頻也存在，但是其分量基本在40g以下，且不存在邊頻。表明在其他轉(zhuǎn)速下不存在碰摩。

圖25 轉(zhuǎn)速為50812 r/min階次譜

圖26 轉(zhuǎn)速為50812 r/min階次譜（圖25縱坐標(biāo)放大）

圖27 轉(zhuǎn)速為54750 r/min階次譜

圖28 轉(zhuǎn)速為56625 r/min階次譜

圖29 轉(zhuǎn)速為58500 r/min階次譜

（3）在50000為r/min附近，低頻段振動(dòng)出現(xiàn)3倍頻分量明顯高于1倍頻，而在其他轉(zhuǎn)速下均為1倍頻分量明顯高于2倍頻和3倍頻。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分解發(fā)現(xiàn)離心葉輪與離心機(jī)匣出現(xiàn)了刮蹭，有力地驗(yàn)證了診斷的正確性，同時(shí)，也充分驗(yàn)證了本文關(guān)于碰摩故障特征分析的正確有效性。

3 結(jié)論

通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的碰摩試驗(yàn)以及對(duì)實(shí)際試車(chē)數(shù)據(jù)的信號(hào)分析，得出了關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩故障在機(jī)匣加速度測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)特征，取得了如下研究結(jié)果：

（1）碰摩發(fā)生時(shí)，機(jī)匣振動(dòng)加速度具有明顯的周期沖擊特征，其沖擊頻率為葉片通過(guò)頻率，即為旋轉(zhuǎn)頻率與葉片數(shù)的積，在頻譜上出現(xiàn)了該葉片通過(guò)頻率及其倍頻，由于轉(zhuǎn)子在不平衡力作用下產(chǎn)生渦動(dòng)，從而導(dǎo)致沖擊的大小受旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制，因此，在葉片通過(guò)頻率及其倍頻兩側(cè)出現(xiàn)了以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶族。對(duì)比正常的無(wú)碰摩時(shí)的機(jī)匣振動(dòng)加速度信號(hào)，可以看出，在無(wú)碰摩時(shí)，信號(hào)中不存在上述特征。

（2）在低頻段，碰摩時(shí)的機(jī)匣加速度特征主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻及其倍頻分量。與不碰狀態(tài)下相比，倍頻分量更為突出。目前，關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)振動(dòng)故障診斷主要依據(jù)信號(hào)的低頻段進(jìn)行分析，而忽視了高頻段，而正是加速度信號(hào)的高頻段蘊(yùn)含了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)于碰摩故障的重要信息。

（3）盡管實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作中氣動(dòng)力也將產(chǎn)生葉片通過(guò)頻率，但是碰摩一旦發(fā)生，將導(dǎo)致葉片通過(guò)頻率分量劇增，且在其兩側(cè)伴隨有以轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊頻。

本文研究結(jié)果對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際故障診斷工作具有重要的借鑒意義和參考價(jià)值。

[1]劉永泉,王德友,洪 杰,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2013,39（5）:1-18. LIU Yongquan,WANG Deyou,HONG Jie,et al.Analysis of whole aeroengine vibration control technology[J]. Aeroengine,2013,39（5）:1-18.(in Chinese)

[2]王儼剴,王理,廖明夫.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)測(cè)振中的基本問(wèn)題分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2012,38（3）:49-53. WANG Yankai,WANG Li,LIAO Mingfu.Analysis of basic problems for aeroengine vibration measurement[J]. Aeroengine,2012,38（3）:49-53.(in Chinese)

[3]姜廣義,王娟,姜睿.航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣振動(dòng)故障分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2011,37（5）:38-40. JIANG Guangyi,WANG Juan,JIANG Rui.Aeroengine fan casing vibration analysis [J].Aeroengine,2011,37 （5）:38-40.(in Chinese)

[4]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) （第19分冊(cè)）:轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及整機(jī)振動(dòng) [M].北京:航空工業(yè)出版社,2000:208-226. Aeroengine Design Manual Compiling Committee.Aeroengine design manual(19th Ablum):rotor dynamics and whole-engine vibration [M].Beijing:Aviation Industry Press,2000:208-226.(in Chinese)

[5]Muszynska A,Goldman P.Chaotic responses of unbalance rotor bearing stator systems with looseness or rubs [J].Chaos,Solitons and Fractals,1995,5（9）: 1683-1704.

[6]聞邦椿,武新華,丁千,等.故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械非線性動(dòng)力學(xué)的理論與試驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:44-54 WEN Bangchun,WU Xinhua,DING Qian,et al.The nonlinear dynamics theory and experiments of rotating mechanism with faults[M].Beijing:Science Press,2004: 44-54(in Chinese)

[7]Chu F,Lu W.Experimental observation of nonlinear vibrations in a rub-impact rotor system [J].Journal of Sound and Vibration，2005,283（1）:621-643.

[8]盧文秀,褚福磊.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的實(shí)驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,45（5）:71-73. LU Wenxiu,CHU Fulei.Experimental investigation of rotor rubbing faults[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2005,45（5）:71-73.(in Chinese)

[9]高艷蕾,李勇,王德友.轉(zhuǎn)子-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩故特征實(shí)驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2002,（4）:16-21. GAO Yanlei,LI Yong,WANG Deyou.Experimental investigation of rotor-to-casing rubbing fault [J].Aeroengine，2002,（4）:16-21.(in Chinese)

[10]劉書(shū)國(guó)，洪杰，陳萌．航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩過(guò)程的數(shù)值模擬[J]．航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，26（6）：1282-1288．LIU Shuguo,HONG Jie,CHEN Meng.Numerical simulation of the dynamic process of aeroengine blade-to-case rub-impact[J].Journal of Aerospace Power,2011,26（6）:1282-1288.(in Chinese)

[11]洪杰,劉書(shū)國(guó),張大義,等.小型短壽命渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片疲勞失效分析 [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012,27（3）: 604-609. HONG Jie,LIU Shuguo,ZHANG Dayi,et al.Fatigue failure analysis of turbine blade miniature short-life turbofan engine[J].Journal of Aerospace Power,2012,27 （3）:604-609.(in Chinese)

[12]Turner K,Adams M,Dunn M.Simulation of engine blade tip-rub induced vibration [R].ASME 2005-GT -68217.

[13]Turner K,Dunn M,Padova M.Airfoil deflection characteristics during rub events[J].Journal of Turbomachinery,2012,134:1-7.

heavy tip rubs using an implicit time marching method[R]. ASME 2011-GT-45495.

[16]Sinha S K．Non-linear dynamic response of a rotating radial Timoshenko beam with periodic pulseloading atthe free-end [J].International Journal of Nonlinear Mechanics, 2005,40:113-149.

Feature Analysis and Verification of Casing Vibration Acceleration for Aeroengine Blade-casing Rubbing Fault

CHEN Guo1,FENG Guo-quan2,JIANG Guang-yi2,LI Cheng-gang2,WANG De-you2
（1.College of Civil Aviation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China; 2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China）

In order to extract the casing acceleration vibration characteristics under blade-casing rubbing,rotor blade-casing singlepoint rubbing and partial rubbing experiments were performed with aeroengine rotor test rig.By means of the frequency spectrum analysis and the cepstrum analysis methods,the casing vibration acceleration signals were analyzed in order to extract the rubbing faults' characteristics.The results show that the casing signals under rubbing have obvious impact characteristics;the impact frequency equals the product of rotating frequency and the number of blades;there is the impact frequency and its frequency doubling in the frequency spectrum; the size of impact is modulated by rotating frequency,so that there are families of side bands on impact frequency and both sides of frequency doubling,and the side bands'interval equals the rotating frequency.There are obvious frequency components of the rotating frequency and its frequency doubling in the Cepstrum.The analysis results are verified by using the actual aeroengine test data.

rubbing;blade-casing;acceleration signals;aeroengine;vibration

V23.9

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.01.002

2013-12-24 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61179057）、國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（613139）資助

陳果（1972），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)智能診斷及專(zhuān)家系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)；E-mail: cgzyx@263.net。

陳果，馮國(guó)權(quán)，姜廣義，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩故障的機(jī)匣振動(dòng)加速度特征分析及驗(yàn)證[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，40（1）：10-16,78. CHEN Guo,FENG Guoquan,JIANG Guangyi,et al.Feature analysis and verification of casing vibration acceleration for aeroengine bladecasing rubbing fault[J].Aeroengine，2014，40（1）：10-16,78.