王維民，陳子文，張旭龍，陳康

1. 北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2. 北京化工大學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

在現(xiàn)代工業(yè)中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)向著低損耗、高性能的方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子與靜子間的間隙也在不斷減小，發(fā)生轉(zhuǎn)靜碰摩故障的可能性也隨之增加。為避免因故障產(chǎn)生更嚴(yán)重的災(zāi)難性事故，實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確的故障預(yù)警顯得尤為重要。

以往對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜碰摩診斷的研究主要集中在彎曲振動(dòng)的變化特征上，分別在動(dòng)力學(xué)建模、仿真、實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了廣泛的研究，碰摩會(huì)產(chǎn)生較寬頻帶范圍的彎曲振動(dòng)響應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，碰摩重復(fù)出現(xiàn)，產(chǎn)生的周期成分可作為碰摩故障診斷特征。而對(duì)碰摩引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變化的研究相對(duì)較少，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜碰摩是一個(gè)短暫的瞬態(tài)過程(在短時(shí)間內(nèi)高加速度、瞬時(shí)力、瞬時(shí)扭矩)，其中還涉及摩擦和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，摩擦產(chǎn)生的瞬態(tài)扭矩也不容忽視，瞬態(tài)扭矩的大小與碰摩半徑和碰摩表面摩擦系數(shù)有關(guān)，方向與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)方向有關(guān)(一般與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反)，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子上施加了額外的瞬時(shí)負(fù)載，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過高壓氣流與燃油混合燃燒后產(chǎn)生高溫燃?xì)庾鳛轵?qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制存在延遲，面對(duì)碰摩產(chǎn)生的反向力矩，發(fā)動(dòng)機(jī)很難迅速控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，所以碰摩時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化也是明顯的。文獻(xiàn)[12] 針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異響并伴隨低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)的問題進(jìn)行排故，結(jié)果確定為發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體發(fā)生了轉(zhuǎn)靜碰摩故障。Roques等認(rèn)為碰摩導(dǎo)致轉(zhuǎn)子角速度較小與碰摩表面摩擦系數(shù)有關(guān)，當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到某一閾值后，觀察到轉(zhuǎn)子向后渦動(dòng)現(xiàn)象，隨摩擦系數(shù)增大，轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)迅速停止的現(xiàn)象。焦旭東總結(jié)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子碰摩故障振動(dòng)信號(hào)特征為振動(dòng)幅值出現(xiàn)明顯的跳躍現(xiàn)象，此外振動(dòng)相位波動(dòng)也較為明顯。Ma等通過建立雙轉(zhuǎn)子-機(jī)匣動(dòng)力學(xué)模型分析了由碰摩誘發(fā)雙轉(zhuǎn)子機(jī)匣系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在相同碰摩工況下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值大于橫向振動(dòng)幅值。廖明夫等針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)、引起彎扭耦合振動(dòng)的問題做了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于延遲控制力矩的存在，碰摩導(dǎo)致轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)較大的幅值，在一定情況下還會(huì)出現(xiàn)扭振失穩(wěn)的現(xiàn)象。隨后還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)碰摩引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變化比彎曲振動(dòng)更為明顯，提出可以用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的變化診斷碰摩故障。隨著葉端定時(shí)(Blade Tip Timing，BTT)法的發(fā)展，通過葉端定時(shí)監(jiān)測(cè)葉片振動(dòng)的應(yīng)用日益廣泛，監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性也得到了顯著的提升，翟功濤等提出了以理想葉輪為假設(shè)的轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，將葉端定時(shí)法運(yùn)用在轉(zhuǎn)子扭振的監(jiān)測(cè)中，但并未通過分析扭振進(jìn)行碰摩故障的診斷。

基于以上研究背景，提出了基于改進(jìn)葉端定時(shí)法的轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷方法，在采用葉端定時(shí)法測(cè)量轉(zhuǎn)子扭振過程時(shí)，考慮初始葉片加工裝配和葉片振動(dòng)導(dǎo)致葉片間距誤差的影響對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。通過實(shí)驗(yàn)研究與編碼器結(jié)果比較驗(yàn)證所提改進(jìn)葉端定時(shí)法的正確性，判斷該方法是否可實(shí)現(xiàn)碰摩故障診斷。

1 碰摩診斷及測(cè)量方法

前文介紹了可通過轉(zhuǎn)速波動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行碰摩故障的診斷監(jiān)測(cè)，而對(duì)軸系轉(zhuǎn)速波動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的表述具有相同的量綱，能實(shí)現(xiàn)同源測(cè)量。對(duì)于轉(zhuǎn)速波動(dòng)，簡(jiǎn)單來說就是轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)偏差，在轉(zhuǎn)子升速過程中，某些時(shí)段轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)較明顯的波動(dòng)，這是由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)越過轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)固有頻率(Torsional Natural Frequency，TNF)引起的，通過去除旋轉(zhuǎn)速度的直流分量可得轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化情況。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則是沿旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生的角振動(dòng)。需用兩個(gè)傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子軸向兩截面間扭轉(zhuǎn)角度差(瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量法)，如要測(cè)量扭轉(zhuǎn)高階模態(tài)還需要更多的傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子角運(yùn)動(dòng)矢量符合疊加原理，轉(zhuǎn)軸各質(zhì)點(diǎn)的線運(yùn)動(dòng)具有相位調(diào)制現(xiàn)象，所以可通過測(cè)量瞬時(shí)角速度提取扭振信息。

1.1 BTT法測(cè)扭振

基于BTT法測(cè)量轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是一種非接觸式測(cè)量方法，其原理是測(cè)量葉尖扭轉(zhuǎn)線速度進(jìn)而提取扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息。如圖1所示，圖中為彎曲振動(dòng)豎直方向振動(dòng)速度，l和r分別為左、右側(cè)傳感器上升沿觸發(fā)時(shí)間；為葉輪的旋轉(zhuǎn)的角速度。傳感器測(cè)量模擬葉輪的信號(hào)包含兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)線速度和橫向振動(dòng)速度，為消除橫向振動(dòng)的影響，在模擬葉輪的外殼上安裝兩個(gè)傳感器(周向間隔180°)測(cè)量每個(gè)葉尖的瞬時(shí)相位(類似一個(gè)鍵相信號(hào))，當(dāng)葉尖通過傳感器時(shí)產(chǎn)生高電平信號(hào)，否則產(chǎn)生低電平信號(hào)。

圖1 扭振測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of torsional vibration measurement

對(duì)原始模擬信號(hào)以高頻計(jì)數(shù)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果信號(hào)達(dá)到正向觸發(fā)電壓時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出為1，同時(shí)記錄上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)序(=1,2,…,+1；=1,2,…)，其中為脈沖數(shù)；為葉片數(shù)；為葉輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到負(fù)向觸發(fā)電壓時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出為0，記錄此刻下降沿對(duì)應(yīng)時(shí)序。重復(fù)上述過程即可得到一系列方波信號(hào)，其相鄰兩個(gè)脈沖上升沿(即相鄰兩葉片)之間的時(shí)間間隔可表示為Δ=(+1-)(=1,2,…,)，則左右傳感器測(cè)得的時(shí)間間隔分別為

(1)

(2)

式中：為葉片數(shù)目；為轉(zhuǎn)子瞬時(shí)角速度，=1,2,…,-1；為葉尖半徑。

如果忽略葉片振動(dòng)和葉間制造誤差(認(rèn)為葉片為理想周向均布的)，轉(zhuǎn)子瞬時(shí)角速度可表示為

(3)

(4)

式中：Δ為波動(dòng)角速度。

對(duì)波動(dòng)量時(shí)域積分得到角位移形式的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第-1個(gè)和第個(gè)脈沖間扭角變化值為

(5)

式中：為積分時(shí)間；為時(shí)間變量。

合并式(1)～式(5)得到脈沖時(shí)間差與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系：

(6)

(7)

式中：“·”表示向下取整；為參數(shù)，取值通常大于4。

由于扭角信號(hào)采樣是通過高頻計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，所以扭角精度只取決于轉(zhuǎn)頻：

(8)

同時(shí)測(cè)量頻率精度也是由輸入信號(hào)頻率和計(jì)數(shù)頻率確定的：

(9)

通過提升(=)與能提升信號(hào)分辨率與質(zhì)量，如同時(shí)采用脈沖信號(hào)上升沿與下降沿參與計(jì)算、增加傳感器數(shù)量、提高計(jì)數(shù)頻率等。

1.2 改進(jìn)BTT法

1.1節(jié)介紹的測(cè)量方法在計(jì)算瞬時(shí)角速度時(shí)認(rèn)為葉片在葉輪上的分布是理想的且葉片未發(fā)生振動(dòng)，然而實(shí)際葉輪由于加工安裝誤差很難保證葉尖間距一致，且當(dāng)葉輪運(yùn)行至諧振轉(zhuǎn)速時(shí)葉片會(huì)發(fā)生諧振，這均會(huì)導(dǎo)致相鄰葉片通過傳感器時(shí)掃過的弧長(zhǎng)不為定值。如果采用理想葉尖間距參與計(jì)算，則會(huì)產(chǎn)生由于葉尖間距不相等引起的階域和隨機(jī)噪聲干擾，這種誤差模式隨葉輪旋轉(zhuǎn)在每一圈重復(fù)出現(xiàn)，因此其保持常數(shù)并獨(dú)立于平均軸速度或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)。所以可利用誤差的平穩(wěn)性識(shí)別由葉尖間距變化引起的誤差結(jié)果，確定每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的誤差后，就可從測(cè)量結(jié)果中解析去除。由葉尖間距誤差產(chǎn)生的時(shí)間誤差(單個(gè)傳感器)可表示為

(10)

式中：Δ(,)為葉尖間距；(,)()為葉片振動(dòng)位移；為葉輪旋轉(zhuǎn)頻率，=/(2π)；為葉片編號(hào)，=1,2,…,。

對(duì)于理想葉輪在沒有葉片振動(dòng)情況下葉片達(dá)到時(shí)間與角度差應(yīng)是完美的線性關(guān)系，但是由于加工安裝誤差，葉片在實(shí)際葉輪上的安裝角度會(huì)有所不同，即葉尖間距是非均勻的。當(dāng)葉輪運(yùn)行在低速或遠(yuǎn)離共振區(qū)域時(shí)，因葉片的動(dòng)態(tài)特性，葉片振動(dòng)通常是非常小的，甚至可認(rèn)為其振動(dòng)幅值為0，在這種情況下，實(shí)際葉尖間距誤差Δ((,+1),)與實(shí)際葉片安裝角誤差Δ((,+1),)的關(guān)系為

Δ((,+1),)=Δ((,+1),)

(11)

當(dāng)葉輪運(yùn)行至諧振轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片振幅對(duì)測(cè)量的影響也不容忽視?？刹捎脝巫杂啥?Single-Degree-of-Freedom，SDOF)葉片振動(dòng)分析方法分析識(shí)別葉片同步振動(dòng)參數(shù)，葉片振動(dòng)響應(yīng)可表示為

(12)

(13)

式中：為葉片靜態(tài)振動(dòng)位移；為品質(zhì)因數(shù)，=1/(2)，其中為阻尼比；為葉片諧振頻率；′為中間變量；為葉片振動(dòng)相位，=+，其中為振動(dòng)初始相位；為葉片振動(dòng)直流分量。當(dāng)?時(shí)，葉片發(fā)生諧振，振幅達(dá)到最大，可表示為

(14)

根據(jù)式(10)經(jīng)整周計(jì)算就能得到每個(gè)相鄰葉尖間距產(chǎn)生的時(shí)間誤差。為避免出現(xiàn)意外的誤差，可增加計(jì)算圈數(shù)多次計(jì)算得到平均值。為方便計(jì)算可先確定每個(gè)葉尖通過傳感器產(chǎn)生脈沖段的時(shí)間通過占比，假設(shè)軸每轉(zhuǎn)一圈的速度保持不變，則脈沖段的歸一化時(shí)間占比為

(15)

式中：()為葉輪第次旋轉(zhuǎn)時(shí)的第個(gè)葉片時(shí)間通過比；(-1)+為第次旋轉(zhuǎn)時(shí)的第個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)第圈的通過時(shí)間；為葉輪旋轉(zhuǎn)一圈的歸一化周期，即旋轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間。對(duì)于旋轉(zhuǎn)圈對(duì)應(yīng)的通過時(shí)間占比可取平均值，最終得到修正時(shí)間序列：

(16)

(17)

式中：Δ()為傳感器測(cè)量得到的個(gè)葉片通過時(shí)間間隔。

采用式(16)的計(jì)算結(jié)果對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行修正，代入式(6)計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，就可去除葉尖間距不一致引起的計(jì)算誤差。

2 仿真研究

為說明間距誤差對(duì)扭振測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響，不考慮葉片振動(dòng)設(shè)定仿真。假設(shè)葉輪(30個(gè)葉片)以10 Hz低速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，如果不發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，葉輪轉(zhuǎn)角=以恒定旋轉(zhuǎn)角速度=20π rad/s 的速度線性持續(xù)增大。當(dāng)發(fā)生扭振時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在的基礎(chǔ)上疊加了扭轉(zhuǎn)角分量，這是由于轉(zhuǎn)子表面各質(zhì)點(diǎn)的線運(yùn)動(dòng)具有相位調(diào)制現(xiàn)象，且旋轉(zhuǎn)振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)角振動(dòng)均為矢量，根據(jù)矢量疊加原理，扭轉(zhuǎn)角位移可表示為

=+sin(+)

(18)

式中：為扭振角幅值；為扭振頻率；為扭振初始相位。

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可寫為多階模態(tài)相加的形式，為方便結(jié)果顯示，只考慮一階情況。設(shè)定式(18)中扭振角幅值=0.08°；扭振頻率=8 Hz；扭振初始相位=0；設(shè)定13號(hào)葉片安裝角誤差Δ=0.015°，其余葉片都為均勻分布。采用BTT法測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是等角度采樣的，根據(jù)采樣定理可知本仿真設(shè)定的采樣頻率/(2π)滿足采樣定理要求。仿真結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)葉尖間距理想時(shí)BTT法能較精確地測(cè)量軸轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)，當(dāng)葉尖間距(13號(hào)葉片)存在誤差時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)頻值出現(xiàn)了較大波動(dòng)，與實(shí)際值差距較大。采用改進(jìn)BTT法對(duì)葉尖間距誤差進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果如圖3所示，根據(jù)式(15)和式(17)再計(jì)算得到葉輪中每個(gè)葉尖間距的周長(zhǎng)占比(取旋轉(zhuǎn)50圈的數(shù)據(jù)參與計(jì)算)，可看到13號(hào)葉片相鄰間距出現(xiàn)較大變化，其余均為定值。隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，這種誤差會(huì)周期地出現(xiàn)，但其誤差模式相對(duì)固定。根據(jù)式(16)采用改進(jìn)BTT法對(duì)其進(jìn)行修正(圖2中只顯示誤差修正部分)，結(jié)果表明該修正方法可去除由非均勻間距導(dǎo)致的轉(zhuǎn)頻計(jì)算誤差。

圖2 計(jì)算轉(zhuǎn)頻與修正結(jié)果(有間距誤差)Fig.2 Calculated frequency and corrected results (with spacing error)

圖3 葉尖間距誤差識(shí)別Fig.3 Recognition of blade tip spacing error

圖2和圖3的仿真僅考慮了單個(gè)葉片安裝誤差，而實(shí)際葉輪可能每個(gè)相鄰葉片均會(huì)有誤差且在運(yùn)行的過程中葉片會(huì)振動(dòng)，對(duì)應(yīng)圖2中每一個(gè)計(jì)算轉(zhuǎn)頻均會(huì)出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，使有效原始信號(hào)淹沒在誤差中。所以采用BTT法測(cè)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，葉尖間距誤差與葉片振動(dòng)誤差均需納入計(jì)算分析中。

3 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)改進(jìn)BTT法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖4所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由伺服電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、兩個(gè)平衡盤、模擬葉輪及其他附件組成，最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。在模擬葉輪(30個(gè)葉片)葉頂間隔180°安裝兩個(gè)光纖傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(消除彎曲振動(dòng)影響)。在轉(zhuǎn)子末端安裝一個(gè)增量式編碼器，脈沖數(shù)(pulse/r，PR)為512，即轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生512個(gè)脈沖信號(hào)，作為BTT法扭振測(cè)量的驗(yàn)證信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)靜碰摩發(fā)生在平衡盤1位置，通過調(diào)整豎直方向樹脂碰摩螺釘和平衡盤之間的間隙模擬碰摩故障。圖5為實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子模型示意圖，碰摩螺釘用碰摩剛度和阻尼表示。

圖4 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Rotor test rig

圖5 軸系模型示意圖Fig.5 Diagram of shafting model

通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)臺(tái)軸系前兩階彎曲臨界轉(zhuǎn)速分別為3 154、10 369 r/min，前三階扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速分別為6 323、11 762、18 932 r/min。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件限制，選擇兩組轉(zhuǎn)速(1 800 r/min和4 500 r/min) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后分別施加兩種碰摩工況：持續(xù)碰摩(工況1)和短時(shí)碰摩(工況2)。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，按工況1施加碰摩，維持一段時(shí)間后結(jié)束碰摩。待轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后再次按工況2施加碰摩，連續(xù)4次，記錄上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。升高轉(zhuǎn)速繼續(xù)重復(fù)上述步驟，直到完成實(shí)驗(yàn)。

圖6為1 800 r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)驗(yàn)誤差識(shí)別與修正結(jié)果，從葉尖間距誤差結(jié)果看，葉尖間距誤差是明顯的。每相鄰葉尖間距變化都不同，由仿真結(jié)果可知，單個(gè)葉片誤差會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)異常波動(dòng)，采用原始BTT法每一步都存在計(jì)算誤差，這會(huì)使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有較大差別。采用改進(jìn)BTT法對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，處理后的轉(zhuǎn)速變化比原始結(jié)果小得多。根據(jù)結(jié)果比較可知，較小的葉尖間距誤差足以引起較大的結(jié)果誤差。

圖6 轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)的誤差識(shí)別與修正Fig.6 Error identification and correction for rotation speed of 1 800 r/min

為驗(yàn)證修正結(jié)果的可靠性，將改進(jìn)處理結(jié)果與轉(zhuǎn)子末端編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。由碰摩引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較為明顯，且都被改進(jìn)BTT法和編碼器監(jiān)測(cè)到，圖7(a)、圖7(b)和圖7(d)、 圖7(e)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值也較為接近。放大碰摩段，并將其分為無碰摩、碰摩和脫離碰摩3個(gè)過程，碰摩時(shí)轉(zhuǎn)速瞬間出現(xiàn)掉轉(zhuǎn)現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)大幅振蕩，當(dāng)脫離碰摩后，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)低頻振蕩。截取此段數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果顯示不論是改進(jìn)BTT法還是編碼器結(jié)果都出現(xiàn)了超過工頻幅值的低頻振蕩，編碼器測(cè)得頻率約為4.6 Hz，改進(jìn)BTT法由于受頻譜分辨率的限制，結(jié)果與編碼器有細(xì)微差別，但不影響分析。脫離振蕩結(jié)束后與無碰摩時(shí)波動(dòng)幅值近乎一致。

圖7 轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)的處理結(jié)果對(duì)照Fig.7 Processing result comparison for rotation speed of 1 800 r/min

圖8為轉(zhuǎn)速4 500 r/min時(shí)實(shí)驗(yàn)誤差識(shí)別與修正結(jié)果，隨轉(zhuǎn)速變化，葉尖間距誤差也在變化(葉片振動(dòng)影響)，同樣采用改進(jìn)BTT法處理，轉(zhuǎn)速變化比原始結(jié)果小得多。與圖6分析過程相同，將改進(jìn)BTT法處理結(jié)果與編碼器結(jié)果比較，如圖9所示?？梢姼倪M(jìn)BTT法仍然能很準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到由碰摩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。與轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致，在脫離碰摩過程時(shí)，出現(xiàn)了頻率約為4.6 Hz的大幅振蕩，其幅值遠(yuǎn)大于工頻幅值。因?qū)嶒?yàn)臺(tái)軸系是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，并采用彈簧聯(lián)軸器連接軸1和軸2，電機(jī)和被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間存在機(jī)電耦合作用，其中電機(jī)對(duì)軸系附加電磁剛度的作用會(huì)使軸系扭轉(zhuǎn)固有頻率出現(xiàn)偏移，使軸系除了本身存在的扭轉(zhuǎn)“彈性”振動(dòng)之外，還引入了額外的“剛體振動(dòng)形式”，出現(xiàn)4.6 Hz的大幅振蕩即為剛體振動(dòng)頻率。

圖8 轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)的誤差識(shí)別與修正Fig.8 Error identification and correction for rotation speed of 4 500 r/min

圖9 轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)的處理結(jié)果對(duì)照Fig.9 Processing result comparison for rotation speed of 4 500 r/min

圖6～圖9的兩組實(shí)驗(yàn)當(dāng)碰摩發(fā)生時(shí)均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速瞬時(shí)掉轉(zhuǎn)，隨后發(fā)生較大幅度振蕩的現(xiàn)象，其原因可能在于電機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備為電子換向式交流伺服電機(jī)，內(nèi)置17 bit光學(xué)編碼器進(jìn)行精確調(diào)速，碰摩導(dǎo)致瞬間轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)內(nèi)置編碼器能精準(zhǔn)反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息給控制器并與設(shè)定轉(zhuǎn)速形成閉環(huán)控制，面對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的差異，控制系統(tǒng)能迅速做出反應(yīng)進(jìn)而增大電機(jī)輸出扭矩，直到轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定值時(shí)停止增大輸出扭矩，但由于慣性作用，到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)子仍然存在一定的加速度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速超過設(shè)定轉(zhuǎn)速，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速升高的情況。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要以高壓氣流與燃油混合燃燒后產(chǎn)生高溫燃?xì)庾鳛轵?qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制比電機(jī)控制慢得多。理論上只要航空發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩導(dǎo)致的扭振響應(yīng)頻率在改進(jìn)BTT法頻率適用范圍內(nèi)(見式(7))，碰摩扭振信號(hào)即可被監(jiān)測(cè)到，精度由式(8)與式(9)確定。

4 結(jié) 論

1) 采用基于BTT法測(cè)量軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，葉尖間距變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

2) 提出的改進(jìn)BTT法可識(shí)別由葉尖間距變化引起的計(jì)算結(jié)果誤差，且能將其解析去除。

3) 改進(jìn)BTT法能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)因碰摩導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速掉轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變化，可用來診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩故障。