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發(fā)動(dòng)機(jī)是所有航空裝備的“心臟”,對(duì)飛機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)決定著其飛行速度、機(jī)動(dòng)性、航程、有效載重、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境適應(yīng)能力。在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)以往所發(fā)生的各類重大斷裂失效事件中，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的斷裂失效高達(dá)80%以上，其中主要是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的葉片、盤、軸及軸承以及轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪等[1-3]。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量多，工作條件惡劣，因而其失效概率相對(duì)較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的失效事件中，轉(zhuǎn)子葉片占70%以上。其中葉片斷裂失效出現(xiàn)的概率最高，其危害性也最大，除因外物撞擊造成的葉片瞬時(shí)過(guò)載斷裂外，絕大多數(shù)是由各種原因引起的不同類型的疲勞斷裂失效，它的主要原因是離心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞斷裂、由振動(dòng)環(huán)境引起的顫振、扭振共振、彎曲振動(dòng)疲勞斷裂以及高溫疲勞、腐蝕損傷導(dǎo)致的疲勞斷裂。

葉片的損壞絕大多數(shù)與振動(dòng)有關(guān)，更確切地說(shuō)，葉片損壞多屬于振動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，即在穩(wěn)態(tài)載荷產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力之外，還有振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，葉片材料在這種負(fù)荷應(yīng)力作用下，耐振強(qiáng)度會(huì)因腐蝕、應(yīng)力集中等因素的影響而顯著下降，當(dāng)葉片經(jīng)受多次應(yīng)力循環(huán)的作用，耗盡了材料的抗力，就導(dǎo)致葉片失效。同時(shí)葉片調(diào)頻不準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中等使得葉片振動(dòng)嚴(yán)重，加速葉片的疲勞失效[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)測(cè)量分為接觸式和非接觸式兩種方式，包括應(yīng)變片式、電容式、電渦流式、激光式、超聲波式和聲響應(yīng)式等。整體上逐漸從早前的接觸式轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|式測(cè)量。

1 葉片振動(dòng)微波測(cè)量方法

本方法是對(duì)準(zhǔn)葉片發(fā)射連續(xù)波24 GHz微波信號(hào)，信號(hào)遇到葉尖后發(fā)生反射，后端通過(guò)處理反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系，確定葉片葉尖位置，測(cè)量葉片振動(dòng)幅值大小。

葉片振動(dòng)參數(shù)測(cè)試的基本原理是采用4個(gè)微波傳感器按照一定角度間隔安裝，并且與指示傳感器之間成一定角度，采用葉尖定時(shí)方法測(cè)量葉片到達(dá)每個(gè)探頭時(shí)的振動(dòng)位移，再結(jié)合4個(gè)探頭測(cè)到的振動(dòng)位移和它們之間的夾角采用數(shù)據(jù)擬合的方法擬合出葉片振動(dòng)的正弦曲線，由擬合的正弦振動(dòng)曲線可知葉片的振幅、振動(dòng)頻率和相位等信息[6-7]。

1.1 振動(dòng)位移測(cè)量原理

振動(dòng)位移是指葉片正對(duì)微波探頭時(shí)，由于葉片振動(dòng)葉尖偏離平衡點(diǎn)的位移值，是葉片振動(dòng)的瞬時(shí)值，因此振動(dòng)位移具有正負(fù)符號(hào)。

圖1為葉片振動(dòng)位移測(cè)量示意圖。以葉片經(jīng)過(guò)微波探頭1時(shí)的振動(dòng)位移測(cè)量方法進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 葉片振動(dòng)位移測(cè)量方法示意圖

已知指示傳感器AN和微波探頭1之間的夾角為α1，因此指示傳感器AN和微波探頭1之間的弧長(zhǎng)d1=2πRα1/360,其中R為葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)半徑。

以銷釘在葉片根部為例說(shuō)明，指示傳感器正對(duì)銷釘采集到一個(gè)脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。指示傳感器AN和微波探頭1同步采集的信號(hào)如圖2所示。其中T為指示傳感器采集到脈沖信號(hào)的周期，因此葉尖線速度為v=2πR/T。t1為銷釘正對(duì)指示傳感器到葉片正對(duì)微波探頭1所經(jīng)歷的時(shí)間。因此，指示傳感器AN和此時(shí)葉片平衡位置之間的弧長(zhǎng)d2=t1v=2πRt1/T。

圖2 指示傳感器和微波探頭1信號(hào)時(shí)序示意圖

葉片在微波探頭1位置的振動(dòng)位移Δd=d2-d1。

每個(gè)葉片在每個(gè)微波探頭位置時(shí)的振動(dòng)位移均可按照此方法計(jì)算，由于每個(gè)微波探頭相對(duì)指示傳感器的安裝角度不一樣，因此葉片在不同微波探頭位置的振動(dòng)位移也一樣。

1.2 葉片振動(dòng)參數(shù)計(jì)算

當(dāng)葉片同步振動(dòng)時(shí)，葉片的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率成整數(shù)倍關(guān)系，因此同一葉片每轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)同一個(gè)微波探頭時(shí)的振動(dòng)相位是相同的，振動(dòng)位移也不變，葉片經(jīng)過(guò)微波探頭的振動(dòng)位移如圖3所示。

圖3 葉片在4個(gè)微波探頭位置的振動(dòng)位移

實(shí)際測(cè)試時(shí)存在信號(hào)噪聲和測(cè)量誤差，一般取一段時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)位移的平均值作為這段時(shí)間的平均振動(dòng)位移。

由于葉片振動(dòng)時(shí)按照正弦規(guī)律振動(dòng)，已知每個(gè)探頭的安裝角度和前面測(cè)量的葉片振動(dòng)位移，可按照正弦規(guī)律擬合葉片的振動(dòng)曲線。由圖3的振動(dòng)位移擬合的正弦曲線如圖4所示。根據(jù)擬合的正弦曲線可知葉片的振幅、振動(dòng)頻率和振動(dòng)相位等曲線。

圖4 振動(dòng)位移擬合的葉片振動(dòng)曲線

每個(gè)葉片可根據(jù)獨(dú)立測(cè)量的4個(gè)微波探頭振動(dòng)位移擬合出新的葉片振動(dòng)波形，從而得到葉片的振動(dòng)參數(shù)。

2 葉片應(yīng)力與振幅仿真分析

目的：模擬結(jié)構(gòu)承受不同頻率的正弦體載荷(運(yùn)行于不同速度)的模態(tài)響應(yīng)。

約束：將定位孔的內(nèi)圓柱面固定。

激勵(lì)：加入葉頂處的外部諧波載荷f(t)=Fsinωt,其中ω為激振頻率，范圍為 310～338 Hz，均分成 100 個(gè)點(diǎn)做分析，如圖5所示。

阻尼設(shè)為 0.02；mode supersition 法求解。

圖5 邊界條件

2.1 頻率-位移曲線

葉片在324.07 Hz，95.866°時(shí)達(dá)到共振，取此刻數(shù)值考察貼片中心應(yīng)力和葉尖處位移的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 頻率-位移曲線

2.2 激勵(lì)-應(yīng)力關(guān)系

通過(guò)調(diào)節(jié)諧波激勵(lì)，得到仿真共振點(diǎn)正弦激勵(lì)-應(yīng)力關(guān)系，如圖7所示。

圖7 葉片應(yīng)力和諧波激勵(lì)變化關(guān)系

由圖7可知，諧波載荷與貼片中心應(yīng)力成線性關(guān)系。取 0.1 N 的貼片中心考察結(jié)果如圖8和圖9所示。

2.3 微波-仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比方法如下：

① 因?yàn)槿~片組的位移與應(yīng)力成比例關(guān)系，將仿真應(yīng)力調(diào)至與應(yīng)變片應(yīng)力相等，即可得到對(duì)應(yīng)的仿真位移。

圖8 貼片中心主應(yīng)力

圖9 葉尖位移

② 仿真得到的僅是單方向的位移值，而應(yīng)變片是取共振過(guò)程的峰峰值，應(yīng)將仿真位移值乘以2后再與微波實(shí)測(cè)的峰峰值做對(duì)比。

③ 取一次試驗(yàn)中波峰左右固定時(shí)間內(nèi)，每次取同一2 s內(nèi)的時(shí)間段數(shù)據(jù)，應(yīng)變片電壓與微波峰峰值對(duì)比如圖10所示。

圖10 微波-仿真位移對(duì)比圖

由上可知，6次微波測(cè)試結(jié)果和應(yīng)變片電壓仿真結(jié)果一致性較好，微波振幅曲與仿真曲線基本吻合，偏差比較小。

3 應(yīng)變片測(cè)試葉片振動(dòng)原理

應(yīng)變片的電阻阻值會(huì)隨著應(yīng)變片的形變而發(fā)生變化。把應(yīng)變片貼在葉片振動(dòng)形變量相對(duì)變化較明顯的位置，應(yīng)變片的電阻阻值隨著葉片振動(dòng)而變化。應(yīng)變片的信號(hào)采集過(guò)程如圖11所示。在電橋應(yīng)變片上的兩端加上12 V電源，另外兩端輸出應(yīng)變片阻值變化產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理器放大和調(diào)零輸出到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡和微波采集系統(tǒng)同步采集應(yīng)變片的信號(hào)。

圖11 應(yīng)變片信號(hào)采集過(guò)程

由于應(yīng)變片直接貼在葉片上，可實(shí)時(shí)采集葉片整個(gè)振動(dòng)過(guò)程的信號(hào)。采集的應(yīng)變片和指示傳感器信號(hào)如圖12所示。根據(jù)指示傳感器的位置，可測(cè)量葉片在探頭附近時(shí)葉片的峰峰值電壓。

圖12 應(yīng)變片和指示傳感器信號(hào)

根據(jù)應(yīng)變片貼在葉片上振動(dòng)的模型仿真，可知葉尖的振幅和應(yīng)變片峰峰值電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集應(yīng)變片信號(hào)，計(jì)算葉片在探頭附近的峰峰值電壓，再乘上之間的比例系數(shù)即可得到葉尖的振幅。

4 葉片振動(dòng)微波測(cè)試與應(yīng)變片測(cè)試對(duì)

比系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示。4個(gè)微波傳感器間隔36°角分布，用于測(cè)試每個(gè)葉片到達(dá)每個(gè)微波探頭的時(shí)間點(diǎn)。銷釘安裝與葉片根部位置，指示傳感器經(jīng)過(guò)其上方時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，用于作為每轉(zhuǎn)的起始時(shí)刻點(diǎn)，同時(shí)用于測(cè)量每一轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。應(yīng)變片貼于被測(cè)葉片的靠近根部位置，信號(hào)線通過(guò)引電滑環(huán)引出接到信號(hào)調(diào)理器，調(diào)試器輸出接到機(jī)箱采集。機(jī)箱實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)微波傳感器信號(hào)，1路指示傳感器信號(hào)和1路應(yīng)變片信號(hào)同步采集。機(jī)箱采集信號(hào)經(jīng)過(guò)千兆交換機(jī)傳輸?shù)椒?wù)器上，服務(wù)器上的應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)分別獨(dú)立采用微波信號(hào)測(cè)量葉片振幅和應(yīng)變片測(cè)量葉片振幅，對(duì)比兩種測(cè)量方法的葉片振幅變化趨勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示、保存等功能。

5 實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果

整個(gè)測(cè)試過(guò)程的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)如圖14所示。測(cè)試的轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)，整個(gè)變化過(guò)程基本成線性變化。轉(zhuǎn)速變化范圍從4700～5100 r/min勻速上升。測(cè)試時(shí)間在135 s左右。

圖13 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖14 轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

5.1 微波測(cè)試葉片振幅

微波測(cè)試葉片在4個(gè)微波探頭位置的振動(dòng)位移的變化趨勢(shì)如圖15所示。4條曲線分別對(duì)應(yīng)4個(gè)探頭測(cè)試到的葉片振動(dòng)位移。探頭1最靠近指示傳感器。曲線上每個(gè)點(diǎn)為2 s內(nèi)的平均振動(dòng)位移。

圖15 葉片振動(dòng)位移變化趨勢(shì)

把每2 s內(nèi)4個(gè)探頭測(cè)試的葉片平均振動(dòng)位移做數(shù)據(jù)擬合得到葉片的振動(dòng)波形，取葉片振動(dòng)波形的峰峰值即為葉片的振幅。葉片振幅的變化趨勢(shì)如圖16所示。圖中每個(gè)時(shí)刻的振幅與圖9的振動(dòng)位移相對(duì)應(yīng)，即由同一時(shí)刻的振動(dòng)位移擬合得到。

圖16 微波信號(hào)葉片振幅變化趨勢(shì)

圖17為第68 s處振動(dòng)位移擬合的葉片振動(dòng)波形。4個(gè)微波探頭位置的振動(dòng)位移與擬合后振動(dòng)曲線在同樣位置處的振動(dòng)位移值很接近，4個(gè)振動(dòng)位移點(diǎn)基本都落在振動(dòng)曲線上。擬合的葉片振動(dòng)效果與實(shí)際的比較接近，通過(guò)振動(dòng)位移的擬合能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量葉片振幅。

圖17 葉片振動(dòng)波形擬合

5.2 應(yīng)變片測(cè)試葉片振幅

同步采集的應(yīng)變片和指示傳感器原始信號(hào)如圖18所示，圖中為共振點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。應(yīng)變片的信號(hào)比較穩(wěn)定，不同轉(zhuǎn)的重復(fù)性比較好，每次經(jīng)過(guò)指示傳感器附近葉片振幅產(chǎn)生波動(dòng)，有明顯受到作用力的作用使振幅產(chǎn)生波動(dòng)。在4個(gè)微波傳感器附近信號(hào)波形比較穩(wěn)定，比較容易識(shí)別葉片振幅。

取4個(gè)微波探頭附近應(yīng)變片振動(dòng)電壓的峰峰值作為葉片振動(dòng)電壓，同微波測(cè)試一樣取2 s內(nèi)振動(dòng)電壓平均值作為葉片平均振動(dòng)電壓。振動(dòng)電壓的變化趨勢(shì)如圖19所示。圖中電壓值為信號(hào)調(diào)理器內(nèi)部放大100倍后的電壓值。

圖18 應(yīng)變片與指示傳感器原始信號(hào)

圖19 葉片振動(dòng)電壓變化趨勢(shì)圖

根據(jù)葉片振動(dòng)模型仿真，葉片振幅大概是應(yīng)變片采集電壓的1.58倍，即把前面計(jì)算的應(yīng)變片峰峰值電壓乘以1.58即可得到葉片的振幅。轉(zhuǎn)換后的葉片振幅變化趨勢(shì)如圖20所示。

圖20 應(yīng)變片測(cè)量葉片振幅

5.3 微波葉片振幅和應(yīng)變片葉片振幅對(duì)比

微波和應(yīng)變片分別測(cè)試的葉片振幅變化趨勢(shì)如圖21所示。在整體趨勢(shì)上兩者一致性很好。振幅計(jì)算數(shù)值上，在測(cè)試過(guò)程的中間共振點(diǎn)兩者的偏差比兩邊小。

圖22為微波測(cè)試葉片振幅和應(yīng)變片測(cè)試葉片振幅的偏差。在共振點(diǎn)，兩者的偏差小于0.025 mm，在非共振點(diǎn)兩者偏差小于0.05 mm。從相對(duì)偏差看，在共振點(diǎn)，兩者偏差小于2.5%，在非共振點(diǎn)兩者偏差小于25%。

圖21 微波葉片振幅和應(yīng)變片葉片振幅對(duì)比

圖22 微波和應(yīng)變片葉片振幅測(cè)量偏差

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)微波和應(yīng)變片振幅測(cè)量?jī)煞N方式的葉片振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了微波葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析保存。該方法還可用于任何旋轉(zhuǎn)葉片的振動(dòng)測(cè)量和分析。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可能的工作環(huán)境惡劣、高溫高壓的條件，葉片振動(dòng)測(cè)試的研究工作已經(jīng)在進(jìn)行中，從目前結(jié)果看，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試方法不會(huì)有大的變化，主要在微波探頭的材料與結(jié)構(gòu)方面需要做一些改進(jìn)。