摘 要：在溫度高、轉(zhuǎn)速高等惡劣工作條件下，中小航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的振動(dòng)特性較復(fù)雜。為得到減速器實(shí)際工況下真實(shí)的振動(dòng)特性，本文先根據(jù)減速器機(jī)匣的結(jié)構(gòu)選取合適的拾振點(diǎn)，并建立簡(jiǎn)化模型，利用LMS儀器采集響應(yīng)信號(hào)，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，最后采用Op.PolyMAX法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的實(shí)際邊界條件下的模態(tài)參數(shù)（工作模態(tài)），找出減速器振動(dòng)大的原因，可作為減速器機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障診斷的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；減速器；工作模態(tài)分析；故障診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：V 233" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

減速器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)齒輪眾多，多種振動(dòng)激勵(lì)源互相耦合。在其研制過(guò)程中，振動(dòng)問(wèn)題尤為突出，了解其振動(dòng)特性可有效提高研制周期和安全性。模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、阻尼比和模態(tài)振型等）是結(jié)構(gòu)的固有屬性，通過(guò)分析模態(tài)參數(shù)，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，從而為結(jié)構(gòu)的故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面提供依據(jù)[1]。因此，對(duì)減速器進(jìn)行模態(tài)分析有重要的實(shí)際意義。

傳統(tǒng)的模態(tài)分析主要分為理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。目前理論模態(tài)分析方法中的有限元計(jì)算法存在理論假設(shè)和原始參數(shù)不確定的缺陷[2]；試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法不符合實(shí)際邊界條件，而且像發(fā)動(dòng)機(jī)減速器這樣的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以激勵(lì)或者激勵(lì)花費(fèi)很高。工作模態(tài)方法（Operational Modal Analysis，OMA）可以彌補(bǔ)這些缺陷，可僅根據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)。運(yùn)用該方法識(shí)別各模態(tài)參數(shù)，可真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性。

因此，本文基于LMS測(cè)試分析系統(tǒng)，采用Op.PolyMAX法識(shí)別出航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器工作模態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行故障診斷，以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位并提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)方法

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器隨整機(jī)試車(chē)時(shí)振動(dòng)比較大。為了找出原因，需要對(duì)減速器進(jìn)行工作模態(tài)分析，以了解其工作狀態(tài)的振動(dòng)特性，為故障診斷分析提供依據(jù)。

1.1 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)器為整機(jī)試車(chē)臺(tái)，如圖1所示。主要包括測(cè)功器、傳動(dòng)軸、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、某航空發(fā)動(dòng)機(jī)（含體內(nèi)減速器單元）、測(cè)試系統(tǒng)以及電器系統(tǒng)等。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速和減速器傳動(dòng)比，計(jì)算出減速器齒輪副最高嚙合頻率為2000Hz。考慮嚙合頻率為激勵(lì)源，為盡量測(cè)得多階模態(tài)參數(shù)，設(shè)置試驗(yàn)頻率測(cè)試范圍為0Hz～3kHz。本模態(tài)測(cè)試使用的設(shè)備包括LMS多通道振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)（用于振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)記錄與分析）和PCB 4525B型三向加速度傳感器。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

由于傳感器數(shù)量有限，遠(yuǎn)少于最佳測(cè)點(diǎn)數(shù)量，因此在綜合考慮減速器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)邊緣輪廓點(diǎn)、振源作用點(diǎn)、結(jié)構(gòu)交聯(lián)點(diǎn)、傳力點(diǎn)和重要響應(yīng)點(diǎn)等作為測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)盡量避開(kāi)模態(tài)的節(jié)點(diǎn)或者支撐點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)能較清楚地反映減速器的幾何形狀。由此確定了傳感器在減速器齒輪箱上的優(yōu)化布置，前機(jī)匣沿周向布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，后機(jī)匣沿周向布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)。該布置方法能確保測(cè)得的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信息具有代表性，能充分體現(xiàn)出減速器箱體各種工作狀況下的振動(dòng)特性。

根據(jù)每個(gè)傳感器（測(cè)點(diǎn)）在減速器的位置坐標(biāo)，在Test.lab里建立模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ忘c(diǎn)1∶1～1∶7對(duì)應(yīng)前機(jī)匣的測(cè)點(diǎn)；試驗(yàn)?zāi)Ｐ忘c(diǎn)2∶1～2∶5和3∶1～3∶4對(duì)應(yīng)后機(jī)匣測(cè)點(diǎn)。LMS多通道振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析，并計(jì)算互功率譜函數(shù)矩陣，進(jìn)而識(shí)別出模態(tài)參數(shù)。由于試驗(yàn)中靠近齒輪副的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)較強(qiáng)烈，因此將測(cè)點(diǎn)1∶1和測(cè)點(diǎn)1∶2作為參考點(diǎn)。

1.3 試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)減速器機(jī)匣工作模態(tài)測(cè)試共進(jìn)行了2輪試驗(yàn)。第一輪試驗(yàn)對(duì)象為整機(jī)試車(chē)時(shí)振動(dòng)大的1#減速器，根據(jù)第一輪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)減速器機(jī)匣進(jìn)行改進(jìn)。第二輪試驗(yàn)對(duì)象為改進(jìn)減速器機(jī)匣的2#減速器。每輪試驗(yàn)分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)地慢-空慢、空慢-最大巡航、最大巡航-最大起飛、最大起飛-空中慢車(chē)等13種工況進(jìn)行２次振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集，選取2次試驗(yàn)重復(fù)性較好的工況進(jìn)行分析。

試驗(yàn)最初擬定了16個(gè)測(cè)點(diǎn)，但進(jìn)行正式試驗(yàn)時(shí)，鑒于安裝座脫落、傳感器信號(hào)線與機(jī)匣干涉等原因，只監(jiān)測(cè)了13個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 工作模態(tài)參數(shù)識(shí)別

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器這樣復(fù)雜且含有旋轉(zhuǎn)部件的裝置來(lái)說(shuō)，在實(shí)際工作過(guò)程中會(huì)存在各轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)頻及其倍頻、各齒輪的嚙合頻率等復(fù)雜的頻率成分，本文將這些頻率成分稱(chēng)為“額外輸入峰”。

在減速器工作模態(tài)測(cè)試過(guò)程中，由于實(shí)際環(huán)境激勵(lì)通常存在大能量的“額外輸入峰”，而不是純粹的白噪聲，會(huì)增加額外的輸入極點(diǎn)，該輸入極點(diǎn)并不等于系統(tǒng)極點(diǎn)，因此在工作模態(tài)識(shí)別過(guò)程中存在“額外輸入峰”的辨識(shí)問(wèn)題?！邦~外輸入峰”的表現(xiàn)主要為頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)且阻尼比較小。進(jìn)行工作模態(tài)分析時(shí)，應(yīng)對(duì)“額外輸入峰”進(jìn)行處理，以剔除其引起的虛假模態(tài)。再運(yùn)用Op.PolyMAX法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。該方法是一種用互功率譜進(jìn)行未知激勵(lì)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，它集合了多參考點(diǎn)法和最小二乘復(fù)頻域法的優(yōu)點(diǎn)，可在復(fù)雜工況背景下準(zhǔn)確識(shí)別模態(tài)參數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)頻云圖可知，數(shù)據(jù)段中存在大能量的頻率成分，為使分析的數(shù)據(jù)各頻率能量分布均勻，剔除某些頻率占主要能量的數(shù)據(jù)段，本次試驗(yàn)工作模態(tài)試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)選取分別如圖3、圖4所示。

獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)Op.PloyMax分析可得穩(wěn)態(tài)圖，其中f、d、v、s分別表示假定極點(diǎn)增加時(shí)在給定精度內(nèi)頻率響應(yīng)函數(shù)分別在頻率、頻率和阻尼、頻率和模態(tài)參與因以及頻率與阻尼/模態(tài)參與因子保持穩(wěn)定的狀態(tài)。s為穩(wěn)定性好的最優(yōu)極點(diǎn)，選擇穩(wěn)態(tài)頻率時(shí)，s越多，得到的模態(tài)參數(shù)越精準(zhǔn)，因此把縱向一致的s對(duì)應(yīng)的頻率看成l階。剔除虛假模態(tài)后的減速器模態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1，前4階模態(tài)振型如圖5所示。由于振型類(lèi)似，因此只給出1#減速器的振型圖。

對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的常用方法是模態(tài)判定準(zhǔn)則（MAC值），用于比較振型的一致性。2次模態(tài)振型的MAC值分別見(jiàn)表2和表3。兩次結(jié)果除了第2階和第3階振型間的MAC值偏高以外，其他各階模態(tài)間的MAC值均較低，說(shuō)明它們間具有良好的正交性，評(píng)估了提取模態(tài)的正確性。第2階與第3階MAC值為20%左右，原因是布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)偏少，丟失部分特征，進(jìn)而導(dǎo)致2階模態(tài)振型相近。

2.2 分析結(jié)果

根據(jù)第一輪試驗(yàn)結(jié)果可知，1#減速器第3階工作模態(tài)頻率（1301Hz）和減速器的某對(duì)齒輪副嚙合頻率（1298Hz）極為接近，易發(fā)生共振。同時(shí)，該階模態(tài)振型為減速器機(jī)匣的扭轉(zhuǎn)振型，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)引起機(jī)匣整體性能不穩(wěn)定，引起減速器機(jī)匣內(nèi)齒輪不對(duì)中等問(wèn)題，影響齒輪嚙合，導(dǎo)致嚙合頻率能量較大，整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)增大。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)時(shí)1#減速器振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析可知，其振動(dòng)大的主要能量集中在1298Hz，可基本判定減速器共振是振動(dòng)大的主要原因。結(jié)合該階模態(tài)振型，對(duì)減速器進(jìn)行改進(jìn)，并增加機(jī)匣的剛度，以避開(kāi)共振頻率。

根據(jù)第二輪試驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)機(jī)匣后，2#減速器的第3階工作模態(tài)頻率提高至1469Hz，與齒輪副嚙合頻率存在足夠的裕度（13.2%），不易發(fā)生共振。在后續(xù)的整機(jī)試驗(yàn)中，2#減速器1298Hz的幅值明顯降低，從而驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用LMS儀器采集響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，最后采用Op.PolyMAX法對(duì)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的信號(hào)進(jìn)行工作模態(tài)分析，主要結(jié)論如下。1）Op.PolyMAX方法能夠在有色噪聲激勵(lì)、脈沖激勵(lì)等非平穩(wěn)環(huán)境激勵(lì)情況下，獲得減速器的工作模態(tài)參數(shù)。2）分析了減速器第3階模態(tài)頻率與齒輪嚙合頻率接近，導(dǎo)致減速器振動(dòng)大的原因，并提出改進(jìn)措施。3）工作模態(tài)可獲得減速器在工作狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，為減速器的設(shè)計(jì)、使用和故障診斷提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]BART" P，ROECK D.Stochastic system identification for operational"modal analysis：A review[J].Journal of dynamic systems， measurement"and control，2001，123（4）：659-667.

[2]程珩，趙遠(yuǎn).工作模態(tài)分析在減速器監(jiān)測(cè)和診斷中的應(yīng)用[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2010，30（2）：197-200.