朱　麗

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飛機(jī)管路振動(dòng)測(cè)試研究

朱麗

針對(duì)飛機(jī)細(xì)直徑管路振動(dòng)產(chǎn)生的飛行故障，提出飛機(jī)管路振動(dòng)測(cè)試的必要性，研究了管路振動(dòng)測(cè)試的傳感器選型以及在管路上的安裝方式，并對(duì)其做出了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，這種測(cè)振方式可以有效地測(cè)試出細(xì)直管路振動(dòng)信號(hào)參數(shù)，為飛行試驗(yàn)提供保障。

隨著飛機(jī)材料的飛速發(fā)展，飛機(jī)輸油管路朝著精細(xì)的方向發(fā)展。由此帶來(lái)的管路振動(dòng)已逐漸成為影響飛機(jī)整體性能的重要因素。因此，在各種環(huán)境條件下的管路振動(dòng)測(cè)試就成為飛機(jī)測(cè)試技術(shù)的重點(diǎn)之一。而國(guó)內(nèi)鮮有飛機(jī)管路振動(dòng)測(cè)試方面的研究，所以管路振動(dòng)測(cè)試研究是一項(xiàng)急需的工程基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)。

一般飛機(jī)細(xì)直管路直徑約為10mm。在振動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)下，管路結(jié)構(gòu)中會(huì)激發(fā)出不同的振動(dòng)模態(tài)，管路結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)加速度，致使其承受較大的交變應(yīng)力應(yīng)變載荷。可能會(huì)使管路因疲勞而遭到破壞，甚至發(fā)生斷裂，釀成嚴(yán)重的災(zāi)難事故。因此針對(duì)細(xì)直管路的測(cè)試研究顯得非常重要，并具有工程必要性。在本文中提出了飛機(jī)管路測(cè)試方法并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為飛機(jī)管路振動(dòng)加速度測(cè)試提供必要的依據(jù)。

管路振動(dòng)測(cè)試研究

振動(dòng)是一種機(jī)械振蕩，通常利用傳感器將振動(dòng)量轉(zhuǎn)變成可以測(cè)量的物理量，目前最常用的是加速度傳感器，也稱加速度計(jì)。飛機(jī)管路的振動(dòng)較易發(fā)生在中、低頻率段，常規(guī)的測(cè)量方法主要是采用電磁式拾振器，壓電式、應(yīng)變式加速度傳感器等方法。但由于所采用的傳感器及其敏感元件尺寸較大，在傳感器安裝時(shí)，會(huì)為管路系統(tǒng)帶來(lái)額外的附件重量，測(cè)量誤差加大，同時(shí)尺寸較大的傳感器安裝也存在較大困難。

以下利用2250A-10和2222C兩種振動(dòng)傳感器，對(duì)于細(xì)直管路測(cè)振的傳感器選型、安裝方式及影響分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

振動(dòng)測(cè)試的傳感器選型

振動(dòng)傳感器的形式很多，每種傳感器都有各自的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域，針對(duì)飛機(jī)的細(xì)直徑管路振動(dòng)，傳感器的選型主要從以下幾方面考慮：

（1）降低傳感器及其附加物（如固定裝置、引線等）對(duì)管路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生的影響，選擇體積小、重量輕的加速度計(jì)；

（2）固定方式簡(jiǎn)單，可以通過(guò)粘結(jié)劑進(jìn)行固定，也可以通過(guò)夾具進(jìn)行固定；

（3）防水密封性好，屏蔽性能好，適于機(jī)載應(yīng)用，具有機(jī)載資格認(rèn)證；

（4）橫向靈敏度低，測(cè)量精度較高，量程大，至少達(dá)到100g；

（5）工作的溫度范圍廣，頻率范圍寬，至少達(dá)到10Hz～2KHz。

為降低對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加重量，管路振動(dòng)的測(cè)試主要選用微小型振動(dòng)傳感器。經(jīng)過(guò)對(duì)多種振動(dòng)傳感器的比對(duì)和分析，最終選擇美國(guó)Endevco公司的2250A-10型ICP型加速度計(jì)和2222C型壓電式加速度計(jì)。兩種傳感器的重量輕、量程大、溫度和頻率范圍寬，工作方式都是單軸測(cè)量，輸出信號(hào)引線形式均為同軸電纜。

2250A-10型為內(nèi)部自帶電荷放大電路，可以直接輸出電壓信號(hào)；2222C型則需要電荷放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　2250A-10和2222C主要技術(shù)指標(biāo)

傳感器安裝

振動(dòng)傳感器的安裝從兩方面探討，安裝的方式和安裝的部位。

安裝方式

振動(dòng)傳感器的安裝屬于接觸式測(cè)量。其安裝方法有使用黏結(jié)劑粘貼和安裝支架兩種方法。

一般情況下，振動(dòng)傳感器直接安裝于被測(cè)系統(tǒng)上，要求其接觸剛度好、抗機(jī)械干擾性強(qiáng)，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。

采用支架安裝時(shí)，要求支架的質(zhì)量小、剛度好、支架兩個(gè)固定面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。安裝支架時(shí)傳感器應(yīng)連同支架一起做幅頻特性試驗(yàn)，滿足技術(shù)要求后方可裝機(jī)使用。

針對(duì)本文選取的2250和2222C兩種型號(hào)傳感器，不能采用傳統(tǒng)的粘結(jié)劑進(jìn)行粘貼安裝。由于管路結(jié)構(gòu)的表面是弧面，而加速度計(jì)與被測(cè)物體的接觸面是平面，因此本文使用了一種將弧面過(guò)渡為平面的夾具。先將夾具固定于管路上，通過(guò)黏結(jié)劑將加速度計(jì)布置于夾具表面。

安裝部位的選取

振動(dòng)傳感器需要安裝在能反映被測(cè)件整體特性的位置，不能安裝在可能產(chǎn)生局部共振的位置。本文研究的對(duì)象是細(xì)直管路，根據(jù)機(jī)載測(cè)試環(huán)境的要求，傳感器的安裝要求其測(cè)量軸與被測(cè)軸平行，橫向敏感軸避開(kāi)側(cè)向加速度最大的方向。

同時(shí)，要測(cè)試機(jī)上管路振動(dòng)參數(shù)，需將振動(dòng)傳感器安裝在管路重點(diǎn)部位。但是，傳感器的安裝部位是與整個(gè)管路的振動(dòng)特性密切相關(guān)的，包括振動(dòng)的模態(tài)、振型等。因此，需對(duì)管路的振動(dòng)進(jìn)行有限元分析，建立其振動(dòng)力學(xué)模型，以確定傳感器的合適安裝部位。

夾具對(duì)管路振動(dòng)測(cè)試的影響

本研究使用的管路測(cè)振夾具是專門設(shè)計(jì)并制作的，本文不作詳細(xì)介紹。本文已選擇了傳感器的型號(hào)，安裝方式，安裝部位，但是需要試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)振傳感器測(cè)試的準(zhǔn)確度以及夾具對(duì)管路的影響。為了準(zhǔn)確測(cè)量細(xì)直管路的振動(dòng)值，確定夾具對(duì)管路振動(dòng)的影響。將管路固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，振動(dòng)傳感器用夾具固定在距離管路有一個(gè)固定距離位置，如圖1所示，測(cè)振傳感器用夾具安裝的細(xì)節(jié)如圖2所示。

使用夾具對(duì)測(cè)振準(zhǔn)確性的影響

要振動(dòng)傳感器測(cè)試的振動(dòng)值準(zhǔn)確，需要保證夾具對(duì)測(cè)振造成的影響盡可能小。為了確定夾具對(duì)飛機(jī)管路加速度影響的大小，做一組對(duì)比試驗(yàn)，分別對(duì)傳感器在有夾具和無(wú)夾具兩種情況下進(jìn)行加速度值的測(cè)量，最后通過(guò)比較兩種情況下的振動(dòng)值數(shù)據(jù)，從而判斷夾具對(duì)管路振動(dòng)測(cè)試影響的大小。

表2　夾具影響試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)起振參數(shù)

首先，在夾具內(nèi)放置加速度計(jì)2222C，將放有加速度計(jì)的夾具固定在振動(dòng)臺(tái)中心，靠近振動(dòng)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)放置。振動(dòng)臺(tái)按照表2給出的參數(shù)起振，采集不同頻率下加速度計(jì)2222C測(cè)得的加速度值；隨后，將加速度計(jì)從夾具中取出，再按照之前的位置固定，振動(dòng)臺(tái)按照同樣的參數(shù)起振，采集該情況下的加速度計(jì)測(cè)得的加速度值。最后，對(duì)兩種情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)復(fù)數(shù)小波去噪，根據(jù)標(biāo)定的靈敏度計(jì)算出兩種情況下測(cè)得的加速度值，繪制加速度-頻率曲線，見(jiàn)圖3。

圖1　振動(dòng)傳感器使用夾具安裝圖

圖2　夾具安裝細(xì)節(jié)圖

圖3　加速度—頻率曲線關(guān)系圖

分別計(jì)算兩種情況下不同頻率對(duì)應(yīng)的加速度值，并分別計(jì)算2222C在有、無(wú)夾具時(shí)的相對(duì)偏差r1和r。計(jì)算公式如式2所示：

式中，a1和a2分別為有夾具和無(wú)夾具時(shí)測(cè)得的加速度值；a為有夾具和無(wú)夾具測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

2222C在有夾具和無(wú)夾具兩種情況下得出的不同頻率對(duì)應(yīng)的加速度值及相對(duì)偏差的大小，如表3所示。

表3　夾具影響試驗(yàn)2222C測(cè)得的加速度值

從圖2中的對(duì)比圖形及表2中的對(duì)比數(shù)據(jù)可以直觀的看出，在低頻和高頻時(shí)有夾具和無(wú)夾具對(duì)所測(cè)得加速度值的影響都很小，基本可以忽略不計(jì)。

圖4　模態(tài)測(cè)試2222C幅頻響應(yīng)曲線

使用夾具對(duì)細(xì)直管路的影響

由頻率共振原理可知，管路在振動(dòng)時(shí)，在其固有頻率附近管路的振動(dòng)最為劇烈，此時(shí)對(duì)管路的影響也最大。因此，為了明確這種影響，有必要對(duì)固液耦合管路的模態(tài)頻率進(jìn)行測(cè)試。確定夾具對(duì)飛機(jī)上管路是否有影響。模態(tài)測(cè)試即為了測(cè)試固液耦合管路的模態(tài)頻率，明確對(duì)管路影響最大的頻率點(diǎn)。

模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)使用2222C進(jìn)行，加速度計(jì)使用夾具固定，將管路注油。振動(dòng)臺(tái)夾具將管路固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，加速度計(jì)布置的位置距離管路有固定距離完成后，使管路處于自由振動(dòng)狀態(tài)，使用尖物敲擊管路，采集加速度計(jì)的相應(yīng)信號(hào)，如圖4所示。

用尖物敲擊管路后，采集加速度計(jì)的輸出信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換。在傅里葉變換的頻譜中可看出，某些頻率點(diǎn)的信號(hào)幅度特別突出。重復(fù)敲擊管路，信號(hào)頻率都只在固定的幾個(gè)頻率點(diǎn)上的信號(hào)幅度突出，通過(guò)繪制其頻譜圖，得出相應(yīng)的模態(tài)頻率。通過(guò)圖4可以看出管路的各階模態(tài)頻率，管路的高頻模態(tài)沒(méi)有凸顯出來(lái)，低階和中階的模態(tài)頻率為48Hz、272Hz、772Hz和1508Hz。如表4所示。

表4　固液耦合管路模態(tài)頻率測(cè)試結(jié)果

對(duì)飛機(jī)管路振動(dòng)影響最大的頻率為其固有頻率，此時(shí)管路的振動(dòng)最為劇烈。因此，需要試驗(yàn)研究管路在模態(tài)頻率處的振動(dòng)情況。管路共振測(cè)試是確定在模態(tài)頻率點(diǎn)時(shí)管路振動(dòng)能達(dá)到的最大加速度值。實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果如表5所示。

表5　固液耦合管路共振振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)參數(shù)設(shè)置及響應(yīng)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：固液耦合管路在272Hz時(shí)振動(dòng)加速度最大，根據(jù)校準(zhǔn)的靈敏度計(jì)算出不同頻率下對(duì)應(yīng)的加速度值，可以達(dá)到120g。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)測(cè)振傳感器選型、安裝方式及相關(guān)分析和試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

a從安裝夾具的影響試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析可知，夾具對(duì)測(cè)振時(shí)的準(zhǔn)確度影響在低頻和高頻的情況下都十分微小，可以認(rèn)為，夾具對(duì)振動(dòng)值的測(cè)量基本不產(chǎn)生誤差影響；

b通過(guò)對(duì)管路的固液耦合振動(dòng)模態(tài)的測(cè)試，得出了固液耦合管路的模態(tài)頻率，分別為48Hz、272Hz、772Hz和1508Hz，同非注油空管測(cè)試得到的模態(tài)頻率相比，固液耦合管路的模態(tài)頻率有所降低，意味著管路結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生共振；

c通過(guò)對(duì)管路的固液耦合共振的測(cè)試可以得出，固液耦合管路在模態(tài)頻率點(diǎn)振動(dòng)加速度值較大，最大可以達(dá)到120g。

本文對(duì)飛機(jī)細(xì)直管路振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行研究，并做試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明本測(cè)振方式適用于飛機(jī)細(xì)直管路振動(dòng)測(cè)試，可有效的測(cè)量出飛機(jī)管路的振動(dòng)值，為飛行提供保障。

朱 麗

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

朱麗（1987-）女，江西人，漢族，碩士，工程師，主要從事飛行試驗(yàn)機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.010