某發(fā)動機低壓渦輪軸模態(tài)試驗研究

范秀杰+趙宇

摘 要：渦輪軸是發(fā)動機的關(guān)鍵件和重要件之一，用于聯(lián)接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉(zhuǎn)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(fā)動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉(zhuǎn)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(tài)試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發(fā)動機整機振動排故提供試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態(tài)分析 ?振動特性 ?模態(tài)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(fā)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(fā)動機由慢車狀態(tài)向最大狀態(tài)推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經(jīng)多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態(tài)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(shù)狀態(tài)

軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內(nèi)的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內(nèi)，未做任何改裝。

2 模態(tài)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(yīng)。接著將信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)快速FFT變換，算出激振點與響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。為了得到振動模態(tài)，還需對機械上的各點計算出傳遞函數(shù)，根據(jù)FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態(tài)等參數(shù)進行曲線擬合，最終將振動模態(tài)的全部動態(tài)過程通過計算機顯示出來。

3 測試系統(tǒng)簡介

本測試系統(tǒng)是北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制。該設(shè)備可以完成大容量數(shù)據(jù)采集、時域分析、頻域分析和模態(tài)分析等功能。該試驗設(shè)備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統(tǒng)、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。

4 模態(tài)試驗

4.1 模態(tài)試驗前準備

4.1.1 邊界條件

低壓渦輪軸模態(tài)試驗在完全自由狀態(tài)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(yīng)信號的拾取應(yīng)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?zāi)Ｐ偷慕⒓熬W(wǎng)格的劃分

為了建模的簡單，試驗?zāi)Ｐ妥隽吮匾暮喕?，不會影響模態(tài)參數(shù)的精度。

4.2 試驗數(shù)據(jù)采集

采用DASP分析軟件對數(shù)據(jù)進行采集。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)特性，分析軟件參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率5000 Hz，觸發(fā)次數(shù)為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數(shù)為8塊， 每塊為1024個采樣數(shù)據(jù)。

4.3 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，首先進行傳遞函數(shù)計算，確定模態(tài)階數(shù)，然后進行模態(tài)擬合、振型編輯，最后進行模態(tài)振型的動畫顯示。

傳遞函數(shù)計算是對一個系統(tǒng)，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析，它反映了系統(tǒng)對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統(tǒng)的本身特性，與輸入無關(guān)。

模態(tài)階數(shù)的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數(shù)進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態(tài)階數(shù)。

采用實模態(tài)多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態(tài)的頻率和阻尼，各階模態(tài)確定后，再由每個傳遞函數(shù)擬合得到各測點的振型。

模態(tài)擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。

5 模態(tài)試驗結(jié)果

故障軸和非故障軸靜頻結(jié)果見表1。

6 試驗結(jié)果分析

（1）根據(jù)測試結(jié)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(fù)雜振動。

7 結(jié)語

故障軸和非故障軸振動模態(tài)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(tài)分析[M].航空工業(yè)出版社，1992.

[2] 張令彌，曾慶華.模態(tài)分析與軟件設(shè)計與開發(fā)[M].動態(tài)分析與測試技術(shù)，1989.

[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業(yè)出版社，1991.

[4] 應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動噪聲技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社，2000.endprint

摘 要：渦輪軸是發(fā)動機的關(guān)鍵件和重要件之一，用于聯(lián)接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉(zhuǎn)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(fā)動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉(zhuǎn)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(tài)試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發(fā)動機整機振動排故提供試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態(tài)分析 ?振動特性 ?模態(tài)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(fā)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(fā)動機由慢車狀態(tài)向最大狀態(tài)推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經(jīng)多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態(tài)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(shù)狀態(tài)

軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內(nèi)的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內(nèi)，未做任何改裝。

2 模態(tài)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(yīng)。接著將信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)快速FFT變換，算出激振點與響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。為了得到振動模態(tài)，還需對機械上的各點計算出傳遞函數(shù)，根據(jù)FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態(tài)等參數(shù)進行曲線擬合，最終將振動模態(tài)的全部動態(tài)過程通過計算機顯示出來。

3 測試系統(tǒng)簡介

本測試系統(tǒng)是北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制。該設(shè)備可以完成大容量數(shù)據(jù)采集、時域分析、頻域分析和模態(tài)分析等功能。該試驗設(shè)備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統(tǒng)、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。

4 模態(tài)試驗

4.1 模態(tài)試驗前準備

4.1.1 邊界條件

低壓渦輪軸模態(tài)試驗在完全自由狀態(tài)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(yīng)信號的拾取應(yīng)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?zāi)Ｐ偷慕⒓熬W(wǎng)格的劃分

為了建模的簡單，試驗?zāi)Ｐ妥隽吮匾暮喕粫绊懩B(tài)參數(shù)的精度。

4.2 試驗數(shù)據(jù)采集

采用DASP分析軟件對數(shù)據(jù)進行采集。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)特性，分析軟件參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率5000 Hz，觸發(fā)次數(shù)為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數(shù)為8塊， 每塊為1024個采樣數(shù)據(jù)。

4.3 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，首先進行傳遞函數(shù)計算，確定模態(tài)階數(shù)，然后進行模態(tài)擬合、振型編輯，最后進行模態(tài)振型的動畫顯示。

傳遞函數(shù)計算是對一個系統(tǒng)，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析，它反映了系統(tǒng)對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統(tǒng)的本身特性，與輸入無關(guān)。

模態(tài)階數(shù)的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數(shù)進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態(tài)階數(shù)。

采用實模態(tài)多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態(tài)的頻率和阻尼，各階模態(tài)確定后，再由每個傳遞函數(shù)擬合得到各測點的振型。

模態(tài)擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。

5 模態(tài)試驗結(jié)果

故障軸和非故障軸靜頻結(jié)果見表1。

6 試驗結(jié)果分析

（1）根據(jù)測試結(jié)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(fù)雜振動。

7 結(jié)語

故障軸和非故障軸振動模態(tài)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(tài)分析[M].航空工業(yè)出版社，1992.

[2] 張令彌，曾慶華.模態(tài)分析與軟件設(shè)計與開發(fā)[M].動態(tài)分析與測試技術(shù)，1989.

[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業(yè)出版社，1991.

[4] 應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動噪聲技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社，2000.endprint

摘 要：渦輪軸是發(fā)動機的關(guān)鍵件和重要件之一，用于聯(lián)接渦輪盤、軸承座等零件。由于渦輪軸在高轉(zhuǎn)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(fā)動機的壽命和安全。渦輪軸不僅傳遞扭矩還承受轉(zhuǎn)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(tài)試驗的方法來分析、確定渦輪軸的振動特性，為某型發(fā)動機整機振動排故提供試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：低壓渦輪軸 ?模態(tài)分析 ?振動特性 ?模態(tài)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(fā)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(fā)動機由慢車狀態(tài)向最大狀態(tài)推加速性時，該兩處振動指標均不合格。經(jīng)多次排故，仍不合格，因此做低壓渦輪軸的模態(tài)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(shù)狀態(tài)

軸上的渦輪盤、軸承、螺母等其它零件均不安裝。軸內(nèi)的附屬零件均由原銷釘連接固定于軸內(nèi)，未做任何改裝。

2 模態(tài)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(yīng)。接著將信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采樣，然后輸入到計算機，用分析軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)快速FFT變換，算出激振點與響應(yīng)點的傳遞函數(shù)。為了得到振動模態(tài)，還需對機械上的各點計算出傳遞函數(shù)，根據(jù)FFT原理，對固有頻率、阻尼比、振動模態(tài)等參數(shù)進行曲線擬合，最終將振動模態(tài)的全部動態(tài)過程通過計算機顯示出來。

3 測試系統(tǒng)簡介

本測試系統(tǒng)是北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制。該設(shè)備可以完成大容量數(shù)據(jù)采集、時域分析、頻域分析和模態(tài)分析等功能。該試驗設(shè)備由雙通道DLF-3電荷放大器、采集系統(tǒng)、DASP分析軟件及力錘、傳感器等組成。

4 模態(tài)試驗

4.1 模態(tài)試驗前準備

4.1.1 邊界條件

低壓渦輪軸模態(tài)試驗在完全自由狀態(tài)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(yīng)信號的拾取應(yīng)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?zāi)Ｐ偷慕⒓熬W(wǎng)格的劃分

為了建模的簡單，試驗?zāi)Ｐ妥隽吮匾暮喕粫绊懩B(tài)參數(shù)的精度。

4.2 試驗數(shù)據(jù)采集

采用DASP分析軟件對數(shù)據(jù)進行采集。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)特性，分析軟件參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率5000 Hz，觸發(fā)次數(shù)為10次，即每點采樣10次求平均，一次采樣塊數(shù)為8塊， 每塊為1024個采樣數(shù)據(jù)。

4.3 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，首先進行傳遞函數(shù)計算，確定模態(tài)階數(shù)，然后進行模態(tài)擬合、振型編輯，最后進行模態(tài)振型的動畫顯示。

傳遞函數(shù)計算是對一個系統(tǒng)，通過其輸入信號和輸出信號，進行系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析，它反映了系統(tǒng)對信號的傳遞特性（幅頻特性和相頻特性），取決于系統(tǒng)的本身特性，與輸入無關(guān)。

模態(tài)階數(shù)的確定，是用集總平均的方法，將所有傳遞函數(shù)進行平均，得到一條平均后的曲線，確定模態(tài)階數(shù)。

采用實模態(tài)多自由度擬合。先選一點傳函，由此傳函擬合得到各階模態(tài)的頻率和阻尼，各階模態(tài)確定后，再由每個傳遞函數(shù)擬合得到各測點的振型。

模態(tài)擬合完成后，必須進行振型編輯，最后進行動畫顯示。

5 模態(tài)試驗結(jié)果

故障軸和非故障軸靜頻結(jié)果見表1。

6 試驗結(jié)果分析

（1）根據(jù)測試結(jié)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(fù)雜振動。

7 結(jié)語

故障軸和非故障軸振動模態(tài)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(tài)分析[M].航空工業(yè)出版社，1992.

[2] 張令彌，曾慶華.模態(tài)分析與軟件設(shè)計與開發(fā)[M].動態(tài)分析與測試技術(shù)，1989.

[3] 李德葆，張元潤.振動測試與試驗分析[M].機械工業(yè)出版社，1991.

[4] 應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動噪聲技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社，2000.endprint