中國航發(fā)湖南動力機械研究所 張利民 陳大力 熊 帆

由于航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且管路及附件繁多，在其振動測量中，測振傳感器安裝后通常會受到安裝位置、介質(zhì)等因素的影響，其安裝諧振頻率常會遠小于其自身的固有頻率，從而大大影響傳感器的頻率響應(yīng)范圍。當(dāng)傳感器安裝后測振系統(tǒng)的諧振頻率落在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速頻率內(nèi)時，就極易引起局部共振[1-2]，影響測量結(jié)果，甚至影響正常試驗。

某型壓電加速度傳感器在發(fā)動機上試驗，測量結(jié)果比發(fā)動機真實振動大2-3倍，經(jīng)試驗驗證及對比分析證實了該振動問題是由測振系統(tǒng)諧振頻率偏低，出現(xiàn)局部共振引起的。本文對解決該振動偏大問題進行機理分析、問題排查與總結(jié)。

1.振動測試系統(tǒng)簡介

航空發(fā)動機振動測試系統(tǒng)主要由壓電式加速度傳感器、測振座、電荷放大器、振動信號分析儀組成；振動測試相關(guān)的機械系統(tǒng)由壓電式加速度傳感器、測振座、航空發(fā)動機及臺架組成。見圖1。

圖1 測振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.諧振頻率機理分析

為了有助于分析說明，建立簡化的單自由度力學(xué)模型，它由一個質(zhì)量塊、一個彈簧和一個阻尼器組成[3]，見圖2。

圖2 傳感器質(zhì)量塊受迫振動受力模型

質(zhì)量塊在外力f(t)作用下的運動方程為：

其中m為質(zhì)量塊重量，k為彈簧剛度，c為粘性阻尼系數(shù)，x為振動位移。

其中質(zhì)量塊加速度a與位移的關(guān)系為：

其中機械系統(tǒng)諧振頻率f0的計算公式為：

由簡化的受力系統(tǒng)力學(xué)模型可知，機械系統(tǒng)諧振頻率與質(zhì)量塊重量及彈簧剛度有關(guān)，且其大小與質(zhì)量塊重量平方根大小成反比；與彈簧剛度平方根大小成正比。

航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動測試系統(tǒng)中壓電加速度傳感器的受力系統(tǒng)模型非常復(fù)雜，是一個多自由度系統(tǒng)，理論分析計算機械系統(tǒng)諧振頻率的方法非常困難，但影響諧振頻率大小的因素與單自由度模型是一致的，工程應(yīng)用中通常采用錘擊法快速便捷獲取測振系統(tǒng)諧振頻率，就是用一個合適錘頭材料的小錘垂直敲擊傳感器安裝接觸面附近，得到傳感器安裝后的沖擊響應(yīng)特性，頻譜圖上具有峰值響應(yīng)的頻率，即為諧振頻率[4]。

3.振動問題分析及排查

3.1 振動現(xiàn)象

在某航空發(fā)動機振動測試中，在發(fā)動機大工況下轉(zhuǎn)子基頻振動幅值比真實值大（2-3）倍。某狀態(tài)下振動頻譜分析見圖3（真實值為52m/s2左右）。

圖3 傳感器改善前試驗情況

3.2 問題分析及排查

經(jīng)試驗對比分析及仔細(xì)排查，驗證了問題原因就是機械系統(tǒng)諧振頻率落在發(fā)動機工作頻率范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)動機主轉(zhuǎn)子工作頻率經(jīng)過或處在諧振頻率時，由于旋轉(zhuǎn)不平衡力的激振作用，產(chǎn)生局部共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動幅值偏大。

圖4 改善前機械系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性

利用沖擊法測得機械系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性見圖4。圖中可知頻率在750.73Hz，891.11Hz，970.46Hz出現(xiàn)峰值，且750.73Hz，891.11Hz剛好落在發(fā)動機工作頻率范圍。

圖5 改善后機械系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性

實際應(yīng)用中，改變振動測試相關(guān)的機械系統(tǒng)中任一部分都可以改變諧振頻率，本方案采取降低壓電加速度傳感器的重量以提高安裝諧振頻率從而避開發(fā)動機工作頻率范圍，傳感器重量變更前為103克，變更后為62克。利用錘擊法測得降低重量后的機械系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性見圖5。圖中可知頻率在966.8Hz，1270.07Hz，出現(xiàn)峰值，有效的避開了發(fā)動機的工作頻率范圍。

4.試驗驗證

改善后的傳感器再進行振動測量試驗時，在發(fā)動機大工況下轉(zhuǎn)子基頻振動輸出無偏大現(xiàn)象，局部共振現(xiàn)象得到有效排除。某狀態(tài)下振動頻譜分析見圖6（真實值為52m/s2左右）。

圖6 問題排除后試驗情況

5.結(jié)論

航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管路及附件繁多，不同的傳感器、不同的測量位置、不同的測振坐...其機械系統(tǒng)諧振頻率均存在差異，振動測量試驗中局部共振問題時常出現(xiàn)。因此，實際振動測試中，試驗前可以通過錘擊法獲取機械系統(tǒng)諧振頻率，根據(jù)實際情況，選取恰當(dāng)有效的排除措施，使機械系統(tǒng)諧振頻率避開發(fā)動機工作頻段，消除局部共振的發(fā)生，以確保試驗測量時提供準(zhǔn)確可靠的試驗數(shù)據(jù)。

[1]姜廣興,王娟,姜睿.航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣振動故障分析[J].航空發(fā)動機,2011年10月:38-44.

[2]陳明,朱春花,涂興文.某型機載武器在掛機飛行環(huán)境局部共振問題的解決[J].裝備環(huán)境工程,2009年10月:94-96.

[3]黃長藝,嚴(yán)普強.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社,2001.

[4]KatsuhikoOgata.現(xiàn)代控制工程[M].盧伯英,于海勛(譯).北京:電子工業(yè)出版社,2003.466-467.