路子翊 錢俊澤 葛暢 徐唐進 年哲 曹文倩 何振鵬

摘 要 隨著航空航天技術，新能源技術的發(fā)展，各類內(nèi)燃機在生產(chǎn)生活中得到了更加廣泛的應用，如何在內(nèi)燃機轉子故障時找到其故障原因也成為了研究熱點。本研究綜述了轉子試驗臺架的現(xiàn)狀，介紹了轉子故障實驗臺架的設計與研究方法，介紹了如何以傳感器，信息采集系統(tǒng)，軟件仿真模擬等技術組合實現(xiàn)對轉子信息采集，分析判斷轉子狀態(tài)的方法。

關鍵詞 航空發(fā)動機 雙轉子 軟件仿真

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A

0引言

轉子動力學主要研究的方向包括臨界轉速、通過臨界轉速的狀態(tài)等。在轉子動力學中對轉子研究時主要研究對象是軸承、和轉子。

現(xiàn)階段主要的轉子試驗臺研究方法包括機械結構設計，實際試驗，傳感器采集實驗數(shù)據(jù)、數(shù)學模型建造，軟件仿真等。其中軟件仿真可以有效地的進行故障仿真與故障模擬，有效降低成本?，F(xiàn)代轉子動力學軟件仿真使用的仿真軟件有UG和MATLAB等軟件。而在大量的故障實例輸入學習的輔助下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯等方法會成為研究轉子動力學的有效方法。轉子故障一般都為多發(fā)耦合性，在一個故障出現(xiàn)的情況下極易引起另一故障的發(fā)生，比如轉子不對中引起的轉子摩擦故障。在教研中可以利用轉子試驗臺對這些故障分析。架轉子試驗臺架在國內(nèi)外都有著豐富的研究與實物作品。

大連理工大學利用電機驅(qū)動轉子，使用各種設備連接單片機，單片機和電腦相連接，單片機處理顯示信息；也可以使用虛擬技術，LabView虛擬儀器對實驗室真實實驗進行仿真，在臺架上輔以各類傳感器，進行信息采集，在已經(jīng)建立好的數(shù)學模型上進行分析，該方法可以將動靜態(tài)測試參數(shù)以圖表、曲線等方式顯示在微機屏幕上；合肥工業(yè)大學的楊中偉利用UG等軟件對轉子試驗臺架進行各零件繪制，對試驗臺架模型組裝，建立運動副，對臺架的運動進行仿真，得到相關零件的運動曲線根據(jù)分析的結果可以得知轉子在不同故障下轉速的變化特征，從而根據(jù)轉速的變化規(guī)律來得到轉速變化曲線與故障相對應的情況，使用MATLAB/Simulink對轉子的故障進行模擬，將結果建立數(shù)據(jù)庫，與LabView虛擬儀器相結合，由虛擬儀器來展示轉子故障的仿真結果；為了解決微型發(fā)動機分析測試經(jīng)費不足的問題外國的Andrew Wiegand等人將無刷直流電機與發(fā)動機連接，安裝各式傳感器，通過與燃燒分析儀結合等方法建立了微型發(fā)動機實驗臺架。

航空發(fā)動機的結構復雜，附件眾多，發(fā)動機常常要工作在高溫度，高負荷的情況下，這種情況下發(fā)動機極易因振動原因引發(fā)故障，威脅飛行安全。發(fā)動機中的軸、軸承和葉片等也會因振動出現(xiàn)故障。發(fā)動機的故障類型包括結構故障、性能故障與附件系統(tǒng)故障等，而結構故障是發(fā)動機故障的主要故障類型，需要對轉子動力學結構特性進行研究。

1內(nèi)外雙轉子故障模擬試驗臺設計

在科研實驗中轉子試驗臺要求的各種器械設備都比較昂貴，本文中的轉子試驗臺架是為了教學使用，使用了電機驅(qū)動轉子轉動的方式。在航空發(fā)動機中的轉子主要包括主軸，各類輪盤和葉片等。

國內(nèi)的轉子試驗臺架針對雙轉子航空發(fā)動機的較少，本文所介紹的試驗臺架是雙轉子實驗臺。因為航空發(fā)動機的結構較復雜，各種附件較多，因此對發(fā)動機的結構采取了簡化。在航空發(fā)動機中的轉子主要包括主軸，各類輪盤和葉片等，這里將渦輪和渦扇等作為主要研究對象采用了軸盤式結構。

圖1為內(nèi)外雙轉子故障模擬試驗臺模型，1-內(nèi)轉子滾動軸承，2-內(nèi)轉子前輪盤，3-同步帶（1：1），4-中介軸承，5-外轉子前輪盤，06-外轉軸，7-同步帶（1：1.2），8-外轉子后輪盤，9-外轉子滾動軸承，10-內(nèi)轉子滾動軸承，11-內(nèi)轉子后輪盤，12-內(nèi)轉軸，13-電機延長軸滾動軸承，14-電機延長軸，15-電機延長軸滾動軸承，16-聯(lián)軸器，17-電機軸，18-電動機。

此民航發(fā)動機轉子實驗臺由3根軸、1臺電動機、4個輪盤、6個滾動軸承組成。電機延長軸14由電機帶動，內(nèi)轉軸12由同步帶3帶動，外轉子由同步帶7帶動。

本文所有滾動軸承均為深溝球軸承，其中內(nèi)轉子滾動軸承1、內(nèi)轉子滾動軸承10、電機延長軸滾動軸承13、電機延長軸滾動軸承15均為6040深溝球軸承，中介軸承4為61904-2RC深溝球軸承，外轉子滾動軸承9為6029深溝球軸承本實驗臺用來模擬雙轉子航空發(fā)動機的轉子結構。所選用軸承均為標準件。其中內(nèi)轉子前輪盤模擬低壓壓氣機、外轉子前輪盤模擬高壓壓氣機、外轉子后輪盤模擬高壓渦輪、內(nèi)轉子后輪盤模擬低壓渦輪。其中每個輪盤上設計有均勻分布的螺紋孔，方便增加不平衡量，用以模擬發(fā)動機轉子故障。

2雙轉子模型的非線性特性分析

由于系統(tǒng)具有很強的非線性特性，采用變步長四階-五階Runge-Kutta法對該轉子系統(tǒng)的動力學行為進行數(shù)值仿真研究，從而得到一系列系統(tǒng)振動響應圖，進而分析轉子系統(tǒng)的動力學特性。

圖2除了用時改變轉速以外，已控制其他變量，如轉靜子間隙，偏心量等參數(shù)值相同。三幅圖示由上到下依次為軸承質(zhì)心的軸心軌跡圖、頻譜圖、Poincar杞孛嬙??？

對于以上三種情況，轉子系統(tǒng)隨著轉速的不斷增加，軸承處運動轉臺都變得更加復雜化，當轉速較低時，軸承處運動呈現(xiàn)單周期運動，但隨著轉速的增加，運動狀態(tài)發(fā)生改變，由頻譜圖可以看出，在頻譜圖中均出現(xiàn)了大量的低頻成分，圖2-2中也出現(xiàn)倍頻成分，這都說明轉速的增加使得軸承處運動狀態(tài)變得混亂，當轉速增加到3500時，從以上Poincar柰伎梢鑰闖觶墻牖煦繚碩？

3結束語

研究內(nèi)外雙轉子較為復雜的轉子-軸承系統(tǒng)，建立了內(nèi)外雙轉子模型，根據(jù)實際得到系統(tǒng)的軸承參數(shù)、內(nèi)外軸參數(shù)、內(nèi)外輪盤參數(shù)和電機相關參數(shù)等。在建模的過程中，利用三維軟件進行仿真，考慮實際搭建出現(xiàn)的裝配問題，利用MATLAB對系統(tǒng)進行旋轉仿真。通過給系統(tǒng)在不同的轉速下進行仿真與實驗對比，得到內(nèi)外雙轉子系統(tǒng)的關鍵性特性參數(shù)。實驗所選取觀察的三個轉速下，轉速越高，系統(tǒng)運動過程中碰摩故障越厲害。對該系統(tǒng)進行仿真，進一步說明了內(nèi)外轉子系統(tǒng)故障極為敏感。本研究的不足在于僅對特定型號的轉子實驗臺上進行研究，缺乏具有普適性的模型。

（通訊作者：錢俊澤）

基金項目：2017，中國民航大學，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，（IECAUC2017005）。

參考文獻

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