符 嬈,陳 釗,左思佳

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

民用活塞式航空發(fā)動機試飛中振動測定研究*

符 嬈,陳 釗,左思佳

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

通過查閱大量資料并結(jié)合型號試飛經(jīng)驗,對民用活塞式航空發(fā)動機的振動測定進行了系統(tǒng)的闡述,包括活塞式發(fā)動機振動測定研究的現(xiàn)實環(huán)境、研究背景和意義、振動機理與特性、振動信號測量與分析等內(nèi)容,最后推薦了一些在試飛中可以參考的標(biāo)準(zhǔn)文件。

活塞發(fā)動機;振動分析;振動測量;振動信號處理

0 引 言

活塞式發(fā)動機具有體積小、重量輕、升功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便等諸多優(yōu)點,并且生產(chǎn)周期短、成本低,因而得到小型飛機的青睞,諸如飛行員飛行技術(shù)培訓(xùn)使用的教練機、施肥和滅蟲用的農(nóng)業(yè)機、滅火救生用的直升機、公務(wù)和旅游用的輕型客機,以及近幾年熱門的無人機、無人直升機等領(lǐng)域。根據(jù)中國民用航空局(CAAC)對于民用航空器適航性管理的規(guī)定,設(shè)計生產(chǎn)部門要通過一系列的飛行試驗來表明即將出售的航空器(包括其配裝的發(fā)動機)在預(yù)期的運行環(huán)境和限制條件下飛行時是安全的,即取得中國民用航空局(CAAC)頒發(fā)的適航證。

振動是機械設(shè)備運行工況的最直接有效的反映形式,通過對各類航空發(fā)動機,包括旋轉(zhuǎn)機械類的(如各種渦輪式噴氣發(fā)動機)和往復(fù)機械類的(如活塞式內(nèi)燃發(fā)動機)在試飛過程中進行振動的測量與評定,才能確保飛行的安全。然而,與各種渦輪噴氣式發(fā)動機不同,對于活塞式發(fā)動機試飛振動測量評定目前鮮少有可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)文件和可以借鑒的工程經(jīng)驗。所以,有必要從根本上對活塞式發(fā)動機的振動機理、振動特性、振動信號測試技術(shù)、振動信號分析技術(shù)等進行深入的研究。

1 振動機理與特性

轉(zhuǎn)子動力學(xué)[1]作為力學(xué)派生出來的一個重要分支,為旋轉(zhuǎn)機械類發(fā)動機的振動機理與特性研究提供了有力的理論依據(jù)。然而對于往復(fù)機械類發(fā)動機[2],由于其激勵力成分復(fù)雜且數(shù)量眾多、傳遞特性不易準(zhǔn)確獲取、邊界條件和運行工況多變,很難找到發(fā)展完備的獨立學(xué)科對其振動研究進行支撐。在實際的工程應(yīng)用中,振動分析法由于具有信號易于測取、易于實現(xiàn)早期預(yù)報和在線監(jiān)測等優(yōu)點,還是得到了最廣泛的研究和應(yīng)用。

1.1 振源分析

活塞式航空發(fā)動機易發(fā)生故障的部位基本上有以下3部分。

(1)傳遞動力部分：曲軸、連桿、十字頭、活塞銷、活塞等部件。

(2)氣體進出機器的密封部分：氣缸、進氣和排氣閥門、彈簧、閥片、活塞環(huán)、填料函及排氣量調(diào)節(jié)裝置等部分。

(3)輔助部分：包括水、氣、油三路的各種冷卻器、緩沖器、分離器、油泵、安全閥及各種管路系統(tǒng)等。

以上主要零部件的缺陷、磨損、損壞和斷裂故障將主要體現(xiàn)在所測量的振動參數(shù)中且伴隨有不正常的聲音。

1.2 激振力分析

活塞式航空發(fā)動機的運動部件是一整套曲柄連桿機構(gòu),在工作時既有加速和減速運動,又有旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動。在工作負荷下,作用在活塞、連桿、十字頭和曲軸上的力有慣性力、氣體力和摩擦力等。在這些力中,氣體力和摩擦力屬于機器的內(nèi)力,不會傳遞到飛機本體上去,只影響到機身、中體、缸體、缸蓋以及各運動零部件的受力狀況和機器的磨損和功耗狀況。然而其他力都有可能引起發(fā)動機本體的振動。

(1)慣性力 慣性力有兩種,即曲柄旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和活塞、十字頭組件往復(fù)運動時的往復(fù)慣性力,連桿運動時則兼有這兩種慣性力的作用。旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)阻力矩都是隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的自由力和力矩,它們作用于機體軸承座上,分別通過地腳螺栓傳遞給飛機本體和輸出軸傳遞給螺旋槳,使其產(chǎn)生振動,而飛機本體和螺旋槳對機體的反作用力也同樣使發(fā)動機本體產(chǎn)生振動。

(2)活塞力 從發(fā)動機的受力分析可知,活塞力通過連桿,作用在曲軸上的一個垂直于氣缸軸線分力與十字頭作用在滑道上的側(cè)向力,構(gòu)成一個有使發(fā)動機傾倒趨勢的傾覆力矩,該力矩也是一個隨曲柄轉(zhuǎn)角而周期性變化的自由力矩,傳遞到飛機本體和螺旋槳上,也會引起其振動。

(3)氣流壓力 除以上機械運動產(chǎn)生的振動外,由于活塞式發(fā)動機的間歇性吸氣和排氣,氣流的壓力脈動還會引起管路振動,如果氣流脈動頻率恰好與氣柱或管道自振頻率相同,這種共振可能引起嚴(yán)重后果,不僅會引起發(fā)動機結(jié)構(gòu)及其安裝支撐結(jié)構(gòu)松動,甚至?xí)窳压艿?使發(fā)動機工作異常,危及飛行安全。

以上振動問題往往是設(shè)計、制造產(chǎn)生的,可以通過試驗室振動試驗及臺架試驗進行初步摸底,然而由于活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,安裝與操作不當(dāng)也會帶來很多振動故障,這就要求在發(fā)動機的具體使用環(huán)境下對發(fā)動機的振動進行測定。

2 振動信號測量與分析

在實際使用環(huán)境中對活塞式發(fā)動機進行振動測定,要對試驗對象的振動類型進行必要的簡化,選取最關(guān)心的振動信息或者說危害更大的振動信息進行測點的布置。在飛行試驗中,綜合考慮以上各種因素,以及測點加改裝的可實現(xiàn)性和安全性,認(rèn)為發(fā)動機本體整機振動和發(fā)動機通過輸出軸傳遞給螺旋槳的振動是現(xiàn)階段最為關(guān)心的內(nèi)容,通過在發(fā)動機機匣和曲軸輸出端機匣的適當(dāng)位置(以便于加改裝為準(zhǔn))安裝振動加速度傳感器來測量發(fā)動機的振動信息?；钊桨l(fā)動機的整機振動信號與以往測量的旋轉(zhuǎn)機械類發(fā)動機的振動信號有很大的不同,除了發(fā)動機的曲軸系統(tǒng)不平衡量引起的振動外,還有連桿系統(tǒng)的敲擊振動,信號表現(xiàn)形式上,在原有的基本振動信號上會出現(xiàn)相同的時間間隔內(nèi)的脈沖信號,如圖1所示。

隨著改裝與測試技術(shù)的發(fā)展,未來將會在更為直接的位置安排測點,例如缸蓋表面、缸體表面、曲軸軸承座等,這些關(guān)鍵部位的振動信息將能更為直接、豐富的反映發(fā)動機的工況,使振動監(jiān)測和故障診斷更為有效。

圖1 兩種類型發(fā)動機振動信號時域?qū)Ρ?/p>

活塞式航空發(fā)動機是一個非常復(fù)雜的機械系統(tǒng),激勵源眾多,各類振動(如缸內(nèi)燃爆振動、閥的撞擊振動、流體流動振動及傳動件嚙合振動等)使得所測得的振動信息包括各種成分和干擾,各機構(gòu)沖擊響應(yīng)信號的頻率在一定頻帶內(nèi)互相重疊,屬于典型的周期性、非平穩(wěn)信號[3]。所以對于周期沖擊性非平穩(wěn)信號的分析處理方法進行研究,提取到振動信號的特征信息,也是實現(xiàn)發(fā)動機有效監(jiān)控和故障診斷的前提。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,現(xiàn)在基本上形成了時域分析法、頻域分析法、時頻域分析法、分形幾何以及高階累積量等方法。

(1)時域分析：時域特征參數(shù)主要有峰值、均值、均方幅值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、波形因子、脈沖因子、裕度因子等。這些特征參數(shù)的測量直接、計算簡單、可用于在線監(jiān)測,缺點是它們不能夠兼顧穩(wěn)定性和敏感性。為檢測敲缸,M.M.Ettefagh[4]等采用ARMA時間序列方法對內(nèi)燃機缸體振動信號進行分析,找到了對故障敏感的特征參數(shù)。

(2)頻域分析：常用的方法以經(jīng)典的傅里葉變換為核心的功率譜分析、倒譜分析以及最為經(jīng)典的頻域能量特征提取等。針對往復(fù)機械上得到的振動信號具有非平穩(wěn)性、非線性特征,利用Hilbert-Huang變換對內(nèi)燃機敲缸信號進行分析,可有效地提取故障的幅值譜和邊緣譜頻帶能量特征。國內(nèi)賈繼德[5]等在這方面有比較深入的研究。

(3)時頻域分析：常用的方法有短時傅里葉變換、Winger時頻分布、EMD分解和小波變換等。孫云嶺[6]利用Winger-Ville時頻分布(WVD)研究了內(nèi)燃機功率不平衡性故障時的瞬時轉(zhuǎn)速特征提取;為減少相干項對分析信號時頻分布信息的干擾,王志華[7]選擇相干項較小的偽Margenau-Hill(PHM)分布研究柴油機表面振動響應(yīng)信號的時頻分布;鄭海波[8]等針對柴油機異響故障振動信號的時變非平穩(wěn)特性,引入重分配平滑偽Winger-Ville分布(RSPWVD)。鄒劍[9]、張德江[10]分別將小波包和小波變換技術(shù)引入到內(nèi)燃機振動信號分析中。

(4)分形分析：李國賓[11]利用多重分形譜來分析柴油機缸體振動信號特征,并探討多重分形譜參數(shù)與柴油機運行狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系,研究表明：多重分形譜參數(shù)能定量刻畫振動信號的特征;馮光爍[12]分析了轉(zhuǎn)速時間序列的功率譜、Lyapunov指數(shù)和相平面圖,指出活塞發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號是混沌時間序列,呈現(xiàn)分形特征,并提取了關(guān)聯(lián)維數(shù)特征。

(5)高階譜分析：高階譜具有抑制加性高斯有色噪聲以及表征非線性的優(yōu)點,最為常用的是雙譜估計及其切片。肖云魁[13]利用雙譜對柴油機曲軸軸承振動信號進行分析,提出了雙譜特征頻率面來描述信號特征;夏天[14]考察了柴油機振動信號的高階循環(huán)平穩(wěn)性,對實測振動信號分析表明利用循環(huán)雙譜可以有效地提取出振動信號中反映柴油機曲軸軸承技術(shù)狀態(tài)的信息;孫云嶺[15]針對多缸內(nèi)燃機瞬時轉(zhuǎn)速信號中含有大量高階諧波成分,存在頻率和相位的非線性耦合,研究了從雙譜對角切片中提取單缸斷油的故障特征,缺點是容易受到轉(zhuǎn)速波動的影響。

以上信號分析方法中,大部分都只能在某一方面或者某一變換域內(nèi)較好地反映活塞式發(fā)動機的運行狀態(tài)特征,而小波變換能夠為振動信號提供時域、頻域和時頻域多角度特征提取,具有時頻局部化、快速多通道帶通濾波、多分辨率特性等優(yōu)點,無疑是活塞發(fā)動機復(fù)雜信號處理中最為活躍的元素,是非平穩(wěn)信號特征提取一個最為有效的工具,因此,在活塞式發(fā)動機試飛工作中,對振動信號的處理,應(yīng)在現(xiàn)有FFT分析技術(shù)(包括短時傅里葉技術(shù))的基礎(chǔ)上,重點研究小波分析方法在實際工程領(lǐng)域更高效的應(yīng)用。

3 試飛中可以參考的標(biāo)準(zhǔn)文件

由于歷史原因,在活塞式航空發(fā)動機試飛中,沒有可以直接參考的標(biāo)準(zhǔn)文件,在查閱了大量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件后,摘錄出其中較為關(guān)鍵的幾份,可以作為開展工作的參考依據(jù)。

GJB 3729-1999,航空活塞發(fā)動機通用規(guī)范;GB/ T 10398-2008,小型汽油機振動評級和測試方法; GB/T 7777-2003,容積式壓縮機機械振動測量與評價;GB/T 7184-2008,中小功率柴油機振動測量及評級;GB/T 13364-2008,往復(fù)泵機械振動測試方法; GB/T 6072.5-2003,往復(fù)式內(nèi)燃機性能第5部分：扭轉(zhuǎn)振動;GB/T 6075.6-2002,在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動第6部分：功率大于100 kW的往復(fù)式機器。

4 結(jié)論與展望

以上內(nèi)容較為粗淺的介紹了在民用活塞式航空發(fā)動機型號合格審定,即獲取民航適航證的飛行試驗中,需要掌握的相關(guān)知識以及工程技能,能夠使參試人員較快的系統(tǒng)了解整個試驗過程。相信未來通過越來越多的民用活塞式航空發(fā)動機的立項、研制、試驗,工程技術(shù)人員能夠更好的了解被試對象的結(jié)構(gòu)特點,更高效的完成整機振動的驗證試驗,從而掌握活塞式航空發(fā)動機的振動特性,促進相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的編寫與發(fā)布。

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Research on Vibration Measurement of Civil Piston Aviation Engine in Flight Test

FU Rao,CEHN Zhao,ZUO Si-jia
(China Flight Test Establishment,Xi'an Shaanxi 710089,China)

The research on vibration measurement of civil piston aviation engine is expounded systematically in this paper by looking for a great deal of related literatures and combining the models practical flight test experiences,including the realistic research environment,background and significance,vibration mechanism and characteristics,vibration signal measurement and analysis,finally,some suggesting standard and specification to the flight tests are recommended.

piton engine;vibration analysis;vibration measurement;vibration signal processing

V217

A

1007-4414(2015)04-0219-03

2015-06-04

符 嬈(1985-),女,陜西武功人,工程師,研究方向：動力裝置與結(jié)構(gòu)強度特性飛行試驗。