某發動機低壓渦輪軸模態試驗研究
2014-12-30 15:01:33范秀杰趙宇
科技創新導報 2014年32期
范秀杰+趙宇
摘 要：渦輪軸是發動機的關鍵件和重要件之一，用于聯接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉速、高溫度、變負荷條件下工作，工作條件惡劣，因此渦輪軸工作可靠與否直接影響發動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉子自身的重力、不平衡力等影響，所以軸的振動問題不可避免。該文簡要介紹了采用模態試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發動機整機振動排故提供試驗數據。
關鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態分析 ?振動特性 ?模態振型
中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0036-01
某發動機在臺架試車中，由于整機振動超標，前機匣垂直傳感器和中機匣水平傳感器在發動機由慢車狀態向最大狀態推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態試驗，將故障軸和非故障軸的振動特性進行對比，確定故障軸和非故障軸的振動特性是否存在差異。
1 低壓渦輪軸技術狀態
軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內，未做任何改裝。
2 模態分析基本原理
基本原理是人為給機械加激振力，同時測出其響應。接著將信號經數據采集系統進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數據經快速FFT變換，算出激振點與響應點的傳遞函數。為了得到振動模態，還需對機械上的各點計算出傳遞函數，根據FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態等參數進行曲線擬合，最終將振動模態的全部動態過程通過計算機顯示出來。
3 測試系統簡介
本測試系統是北京東方振動和噪聲技術研究所研制。該設備可以完成大容量數據采集、時域分析、頻域分析和模態分析等功能。該試驗設備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。
4 模態試驗
4.1 模態試驗前準備
4.1.1 邊界條件
低壓渦輪軸模態試驗在完全自由狀態進行，即用橡皮繩將軸垂直懸掛。
4.1.2 傳感器選擇
拾振傳感器的選擇：響應信號的拾取應選用小型的壓電式加速度傳感器，并用502膠粘貼在渦輪軸上，其頻響范圍為1～5 kHz。
激勵信號傳感器的選擇：激勵信號拾取選用力傳感器。
錘頭的選擇：由于軸的固有頻率不是很高，也為了避免擊傷渦輪軸，故錘頭選為鋁制錘頭。
4.1.3 試驗模型的建立及網格的劃分
為了建模的簡單，試驗模型做了必要的簡化，不會影響模態參數的精度。
4.2 試驗數據采集
采用DASP分析軟件對數據進行采集。根據軸的結構特性，分析軟件參數設置為：采樣頻率5000 Hz，觸發次數為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數為8塊， 每塊為1024個采樣數據。
4.3 試驗數據處理
數據采集結束后，首先進行傳遞函數計算，確定模態階數，然后進行模態擬合、振型編輯，最后進行模態振型的動畫顯示。
傳遞函數計算是對一個系統，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統的頻率響應分析，它反映了系統對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統的本身特性，與輸入無關。
模態階數的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態階數。
采用實模態多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態的頻率和阻尼，各階模態確定后，再由每個傳遞函數擬合得到各測點的振型。
模態擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。
5 模態試驗結果
故障軸和非故障軸靜頻結果見表1。
6 試驗結果分析
（1）根據測試結果分析，故障軸與非故障軸同階頻率相差不大，且振型相同。軸的軸向、徑向典型振型見圖1。
（2）兩根低壓渦輪軸除了軸向有振動外，徑向也有較復雜振動。
7 結語
故障軸和非故障軸振動模態相同、振動頻率相近，因此確定兩種軸無明顯差異。
參考文獻
[1] 張令彌.振動測試與動態分析[M].航空工業出版社，1992.
[2] 張令彌，曾慶華.模態分析與軟件設計與開發[M].動態分析與測試技術，1989.
[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業出版社，1991.
[4] 應懷樵.現代振動噪聲技術[M].航空工業出版社，2000.endprint
摘 要：渦輪軸是發動機的關鍵件和重要件之一，用于聯接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉速、高溫度、變負荷條件下工作，工作條件惡劣，因此渦輪軸工作可靠與否直接影響發動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉子自身的重力、不平衡力等影響，所以軸的振動問題不可避免。該文簡要介紹了采用模態試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發動機整機振動排故提供試驗數據。
關鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態分析 ?振動特性 ?模態振型
中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0036-01
某發動機在臺架試車中，由于整機振動超標，前機匣垂直傳感器和中機匣水平傳感器在發動機由慢車狀態向最大狀態推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態試驗，將故障軸和非故障軸的振動特性進行對比，確定故障軸和非故障軸的振動特性是否存在差異。
1 低壓渦輪軸技術狀態
軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內，未做任何改裝。
2 模態分析基本原理
基本原理是人為給機械加激振力，同時測出其響應。接著將信號經數據采集系統進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數據經快速FFT變換，算出激振點與響應點的傳遞函數。為了得到振動模態，還需對機械上的各點計算出傳遞函數，根據FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態等參數進行曲線擬合，最終將振動模態的全部動態過程通過計算機顯示出來。
3 測試系統簡介
本測試系統是北京東方振動和噪聲技術研究所研制。該設備可以完成大容量數據采集、時域分析、頻域分析和模態分析等功能。該試驗設備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。
4 模態試驗
4.1 模態試驗前準備
4.1.1 邊界條件
低壓渦輪軸模態試驗在完全自由狀態進行，即用橡皮繩將軸垂直懸掛。
4.1.2 傳感器選擇
拾振傳感器的選擇：響應信號的拾取應選用小型的壓電式加速度傳感器，并用502膠粘貼在渦輪軸上，其頻響范圍為1～5 kHz。
激勵信號傳感器的選擇：激勵信號拾取選用力傳感器。
錘頭的選擇：由于軸的固有頻率不是很高，也為了避免擊傷渦輪軸，故錘頭選為鋁制錘頭。
4.1.3 試驗模型的建立及網格的劃分
為了建模的簡單，試驗模型做了必要的簡化，不會影響模態參數的精度。
4.2 試驗數據采集
采用DASP分析軟件對數據進行采集。根據軸的結構特性，分析軟件參數設置為：采樣頻率5000 Hz，觸發次數為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數為8塊， 每塊為1024個采樣數據。
4.3 試驗數據處理
數據采集結束后，首先進行傳遞函數計算，確定模態階數，然后進行模態擬合、振型編輯，最后進行模態振型的動畫顯示。
傳遞函數計算是對一個系統，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統的頻率響應分析，它反映了系統對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統的本身特性，與輸入無關。
模態階數的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態階數。
采用實模態多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態的頻率和阻尼，各階模態確定后，再由每個傳遞函數擬合得到各測點的振型。
模態擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。
5 模態試驗結果
故障軸和非故障軸靜頻結果見表1。
6 試驗結果分析
（1）根據測試結果分析，故障軸與非故障軸同階頻率相差不大，且振型相同。軸的軸向、徑向典型振型見圖1。
（2）兩根低壓渦輪軸除了軸向有振動外，徑向也有較復雜振動。
7 結語
故障軸和非故障軸振動模態相同、振動頻率相近，因此確定兩種軸無明顯差異。
參考文獻
[1] 張令彌.振動測試與動態分析[M].航空工業出版社，1992.
[2] 張令彌，曾慶華.模態分析與軟件設計與開發[M].動態分析與測試技術，1989.
[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業出版社，1991.
[4] 應懷樵.現代振動噪聲技術[M].航空工業出版社，2000.endprint
摘 要：渦輪軸是發動機的關鍵件和重要件之一，用于聯接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉速、高溫度、變負荷條件下工作，工作條件惡劣，因此渦輪軸工作可靠與否直接影響發動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉子自身的重力、不平衡力等影響，所以軸的振動問題不可避免。該文簡要介紹了采用模態試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發動機整機振動排故提供試驗數據。
關鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態分析 ?振動特性 ?模態振型
中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0036-01
某發動機在臺架試車中，由于整機振動超標，前機匣垂直傳感器和中機匣水平傳感器在發動機由慢車狀態向最大狀態推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態試驗，將故障軸和非故障軸的振動特性進行對比，確定故障軸和非故障軸的振動特性是否存在差異。
1 低壓渦輪軸技術狀態
軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內，未做任何改裝。
2 模態分析基本原理
基本原理是人為給機械加激振力，同時測出其響應。接著將信號經數據采集系統進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數據經快速FFT變換，算出激振點與響應點的傳遞函數。為了得到振動模態，還需對機械上的各點計算出傳遞函數，根據FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態等參數進行曲線擬合，最終將振動模態的全部動態過程通過計算機顯示出來。
3 測試系統簡介
本測試系統是北京東方振動和噪聲技術研究所研制。該設備可以完成大容量數據采集、時域分析、頻域分析和模態分析等功能。該試驗設備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。
4 模態試驗
4.1 模態試驗前準備
4.1.1 邊界條件
低壓渦輪軸模態試驗在完全自由狀態進行，即用橡皮繩將軸垂直懸掛。
4.1.2 傳感器選擇
拾振傳感器的選擇：響應信號的拾取應選用小型的壓電式加速度傳感器，并用502膠粘貼在渦輪軸上，其頻響范圍為1～5 kHz。
激勵信號傳感器的選擇：激勵信號拾取選用力傳感器。
錘頭的選擇：由于軸的固有頻率不是很高，也為了避免擊傷渦輪軸，故錘頭選為鋁制錘頭。
4.1.3 試驗模型的建立及網格的劃分
為了建模的簡單，試驗模型做了必要的簡化，不會影響模態參數的精度。
4.2 試驗數據采集
采用DASP分析軟件對數據進行采集。根據軸的結構特性，分析軟件參數設置為：采樣頻率5000 Hz，觸發次數為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數為8塊， 每塊為1024個采樣數據。
4.3 試驗數據處理
數據采集結束后，首先進行傳遞函數計算，確定模態階數，然后進行模態擬合、振型編輯，最后進行模態振型的動畫顯示。
傳遞函數計算是對一個系統，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統的頻率響應分析，它反映了系統對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統的本身特性，與輸入無關。
模態階數的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態階數。
采用實模態多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態的頻率和阻尼，各階模態確定后，再由每個傳遞函數擬合得到各測點的振型。
模態擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。
5 模態試驗結果
故障軸和非故障軸靜頻結果見表1。
6 試驗結果分析
（1）根據測試結果分析，故障軸與非故障軸同階頻率相差不大，且振型相同。軸的軸向、徑向典型振型見圖1。
（2）兩根低壓渦輪軸除了軸向有振動外，徑向也有較復雜振動。
7 結語
故障軸和非故障軸振動模態相同、振動頻率相近，因此確定兩種軸無明顯差異。
參考文獻
[1] 張令彌.振動測試與動態分析[M].航空工業出版社，1992.
[2] 張令彌，曾慶華.模態分析與軟件設計與開發[M].動態分析與測試技術，1989.
[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業出版社，1991.
[4] 應懷樵.現代振動噪聲技術[M].航空工業出版社，2000.endprint
