基于航空發(fā)動機轉子試驗器的碰摩特征測試

金業(yè)壯，王德友，聞邦椿

（1.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；2.沈陽航空航天大學 航空航天工程學部，沈陽110136；3.中國航空工業(yè)集團公司 沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

基于航空發(fā)動機轉子試驗器的碰摩特征測試

金業(yè)壯1,2，王德友3，聞邦椿1

（1.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；2.沈陽航空航天大學 航空航天工程學部，沈陽110136；3.中國航空工業(yè)集團公司 沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015）

利用航空發(fā)動機轉子試驗器模擬不同部位的碰摩，測試獲得碰摩時機匣的加速度響應信號，并與無碰摩時機匣加速度時、頻域波形進行對比。測試結果表明，航空發(fā)動機葉盤結構的轉子—機匣碰摩時，其加速度信號具有沖擊、調幅特征，即在碰摩頻率及其整數倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉頻率。同時，與無碰摩狀態(tài)相比，在低頻段時碰摩特征主要表現為轉頻及其倍頻分量，且倍頻分量更加突出。

振動與波；航空發(fā)動機；轉子試驗器；碰摩；調幅特征

碰摩是航空發(fā)動機一種常見的強非線性故障，初期和中期碰摩故障常包含沖擊信號特征，它不僅影響設備的使用壽命，還會造成較嚴重后果,甚至引發(fā)機毀人亡的惡性事故[1，2]。

目前，國內外許多學者已對碰摩故障進行了一定程度的理論與試驗研究[3-9]。晏礪堂等[10]通過理論和試驗研究發(fā)現雙轉子發(fā)動機發(fā)生動靜件碰摩時，除出現轉子的基頻振動外，當發(fā)生碰摩時還會出現多種倍頻、分頻成分以及以兩轉子轉速頻率為主的多種復合頻率成分。高艷蕾等[11]以轉子—機匣模型試驗器為對象，通過試驗研究方式模擬航空發(fā)動機試車過程中的典型碰摩故障，總結了轉、靜件碰摩故障特征譜。陳果等[12]針對實際的航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)，建立了含碰摩故障的轉子—滾動軸承—支承—機匣耦合動力學模型。同時，利用航空發(fā)動機轉子實驗器及其故障信號測試系統(tǒng)，進行了碰摩故障實驗，驗證了仿真計算的正確性。陳果等13]還提出一種基于倒頻譜分析方法的航空發(fā)動機轉靜碰摩部位識別新方法，該方法直接對機匣測點的振動加速度信號進行倒頻譜分析，可以分離出反映碰摩部位的傳遞特征信息，進而提取出了20個碰摩部位的識別特征。符嬈等[14]利用小波分析方法對航空發(fā)動機轉靜子碰摩故障信號進行了分析，發(fā)現利用小波分析方法可以有效地濾除高頻噪聲，使得故障特征的觀察和提取更加方便。馬中存等[15]利用有限元與包絡解調方法研究碰摩故障下靜子振動信號的變化規(guī)律。研究結果表明。該方法能夠從強大背景信號與噪聲中提取高頻碰摩故障信息。于明月等[16]提出了基于機匣加速度信號的航空發(fā)動機轉靜碰摩部位識別方法。利用航空發(fā)動機轉子試驗器模擬了大量不同部位的碰摩，采用直接提取機匣加速度信號歸一化均方值和提取機匣加速度信號小波極大模歸一化能量特征的實驗方案對轉靜碰摩部位進行了識別。但上述研究還存在一些問題，部分學者所做實驗只是為了驗證某種理論，且有些研究結論離實際應用還存在一定的距離。

本文利用航空發(fā)動機轉子試驗器模擬了不同部位的碰摩，通過試驗研究方式獲得了碰摩時機匣的加速度響應信號，并與無碰摩時機匣加速度時、頻域波形進行了對比，以期獲得轉子葉片和機匣碰摩的特性和規(guī)律。

1 碰摩實驗簡介

利用帶機匣的航空發(fā)動機轉子試驗器進行了不同部位的碰摩故障試驗。機匣為航空發(fā)動機的薄壁結構，轉子為轉軸—輪盤—葉片結構，碰摩發(fā)生在渦輪機匣端。實驗時在渦輪機匣處設計了四個碰摩螺釘，實現四個部位的碰摩實驗，沿渦輪機匣相應布置4個加速度傳感器，并采集機匣加速度信號。圖1給出了試驗器實物圖以及傳感器的安裝位置，圖2為以面向渦輪機匣為標準的碰摩部位以及4個加速度傳感器的安裝方向示意圖，CH1—CH4分別表示4個加速度傳感器所對應的測試通道。

圖1 航空發(fā)動機轉子試驗器實物及傳感器位置

圖2 傳感器及碰摩位置分布圖

測試時采用的數據采集設備器為NI公司的USB 9234，采樣頻率為10 240 Hz，實驗溫度為室溫。采用東大儀器廠SE系列電渦流位移傳感器測量轉子轉速、丹麥B&K公司的4508型加速度傳感器測量加速度。測試時試驗器轉速為1 489 r/min，對應旋轉頻率為24.8 Hz，葉片總數為32個。

2 碰摩時機匣加速度特征測試

在垂直碰摩的情況下，測試獲取渦輪機匣垂直方向上測點（CH1）對應的加速度傳感器的響應信號。圖3和圖4分別給出了轉靜碰摩發(fā)生在垂直方向上方時，機匣垂直方向上測點（CH1）的時域波形和局部放大波形。圖5、圖6和圖7分別為該測點時域波形對應的頻譜及其不同頻段的局部放大圖。

圖3 碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的時域波形

3 無碰摩時機匣加速度特征測試

無碰摩的情況下，同樣測試獲取渦輪機匣垂直方向上測點（CH1）對應的加速度傳感器的響應信號。圖8和圖9分別為無轉靜碰摩時，機匣垂直上測點（CH1）的時域波形和局部放大波形。圖10和圖11分別為該測點時域波形對應的頻譜及其局部放大圖。

圖4 碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的局部放大波形

圖5 碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的頻譜

圖6 碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）頻譜（局部放大）

圖7 碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）頻譜（局部放大）

圖8 無碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的時域波形

圖9 無碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的局部放大波形

圖10 無碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）的頻譜

圖11 無碰摩時機匣垂直方向上測點（CH1）頻譜（局部放大）

4 碰摩特征測試結果分析

通過對比碰摩與無碰摩時機匣加速度信號的時、頻域波形，可以得出如下結論：

（1）由于試驗器采用的是轉子—輪盤—葉片結構，因此，當碰摩發(fā)生時，每個葉片將輪流碰撞碰摩點，即當轉子旋轉一周時，這種作用將循環(huán)一次。此時，由碰摩引起的振動非常類似齒輪的振動，其碰摩頻率相當于齒輪的嚙合頻率，為葉片數乘以旋轉頻率。而振動的大小又受到旋轉頻率的幅值調制的影響，所以才會在頻譜中表現出明顯的調幅特征，即在碰摩頻率及其整數倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉頻率；

試驗中試驗器旋轉頻率為24.8 Hz，葉片數目為32，碰摩頻率為794 Hz，從圖5可以發(fā)現明顯的碰摩頻率及其整數倍頻，即794 Hz、2 382 Hz、3 176 Hz、和3 970 Hz等。同時，在它們附近還存在許多邊頻，邊頻寬度為旋轉頻率24.8 Hz，這點可以在圖6得到驗證，從圖中可以很明顯地看出在794 Hz附近以24.8 Hz為間隔的邊頻成分；

（2）對比正常的無碰摩時機匣振動加速度信號特征，可以看出，無碰摩時信號中不存在調幅特征，也不存在轉速的整數倍頻率成分；

（3）在低頻段，碰摩時機匣加速度特征主要表現為轉頻及其倍頻分量，且與無碰摩狀態(tài)相比，倍頻分量更加突出。

5 結語

通過測試研究發(fā)現航空發(fā)動機葉盤結構的轉子—機匣的碰摩時，其加速度信號具有沖擊、調幅特征，即在碰摩頻率及其整數倍頻附近存在邊頻帶，其邊頻寬度為旋轉頻率。同時，與無碰摩狀態(tài)相比，在低頻段時碰摩特征主要表現為轉頻及其倍頻分量，且倍頻分量更加突出。

本文研究結果可為后續(xù)的仿真分析結果提供依據，為其它實驗條件下的碰摩試驗提供重要參考。

[1]聞邦椿，武新華，丁千，等.故障旋轉機械非線性動力學的理論與試驗[M].北京：科學出版社，2004：1-14.

[2]韓清凱，于濤，王德友，等.故障轉子系統(tǒng)的非線性振動分析與診斷方法[M].北京：科學出版社，2010：1-14.

[3]Muszynska A.Stability of whirl and whip in rotor bearing system[J].Journal of Sound and Vibration,1988,127(1):49-64.

[4]Chu F L,Zhang Z S,Feng G P.Chaotic behavior of a rub model[J].Journal of Tsinghwa University(Sci&Tech), 1996,36(7):52-57.

[5]Ehrich H.Observations of subcritical superharmonic and chaotic response in rotordynamics[J].Journalof Vibration andAcoustics,1992,114(6):93-100.

[6]Raghothama A,Narayanan S.Bifurcation and chaos in geared rotor bearing system by incremental harmonic balance method[J].Journal of Sound and Vibration, 1999,226(3):469-492.

[7]Wu X H,Zhang X J,Xia S B,et al.Nonlinear dynamics of an unbalanced rotor flexible mounted on three journal bearings[J].Journal of Vibration Engineering,2001,14(3):298-302.

[8]袁惠群，聞邦椿，王德友.非線性碰摩力對碰摩轉子分叉與混沌行為的影響[J].應用力學學報，2001，18(4)：16-20.

[9]Chu F L,Lu W X.Experimental observation of nonlinear vibrations in a rub-impact rotor system[J].Journal of Sound and Vibration,2005,283:621-643.

[10]晏礪堂，王德友.航空雙轉子發(fā)動機動靜件碰摩振動特征研究[J].航空動力學報，1998，13(2)：173-176.

[11]高艷蕾，李 勇，王德友.轉子-機匣系統(tǒng)碰摩故障特征試驗研究[J].航空發(fā)動機，2002,(4):16-21.

[12]陳 果，李成剛，王德友.航空發(fā)動機轉子—滾動軸承—支承—機匣耦合系統(tǒng)的碰摩故障分析與驗證[J].航空動力學報，2008，23(7)：1304-1311.

[13]陳果，于明月，劉永泉，等.基于倒頻譜分析的航空發(fā)動機轉靜碰摩部位識別[J].機械工程學報，2014，50(7)：32-38.

[14]符嬈，張群巖，趙述元.航空發(fā)動機轉靜子碰摩故障信號用小波分析的方法檢測和分析[J].噪聲與振動控制，2012，32(1)：124-127.

[15]馬中存，張永祥.有限元與包絡解調相結合的碰摩故障診斷[J].噪聲與振動控制，2013，33(6)：158-162.

[16]于明月，陳果，姜廣義，等.基于機匣加速度信號的航空發(fā)動機轉靜碰摩部位識別[J].中國機械工程，2014，25(8)：1102-1108.

Rubbing Characteristic Test Based on an Aeroengine Rotor-stator Testing Rig

JIN Ye-zhuang1,2,WANG De-you3,WEN Bang-chun1
(1.School of Mechanical Engineering&Automation,Northeastern University, Shenyang 110819,China; 2.College ofAerospace Engineering,ShenyangAerospace University,Shenyang 110136,China; 3.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China)

Using the aeroengine’s rotor-stator testing rig,the rub-impact performance of the rotor-stator system was simulated,and the acceleration signals and the wave forms in frequency domain of the rotor-stator case under rub-impact status were obtained and compared with those without rub-impact phenomenon.The results show that when the rub-impact happens,the acceleration signals have impact and amplitude modulation characteristics,i.e.there exist some sidebands in the vicinity of rubbing frequency and the n-th harmonic frequencies(where n is an integer).In the low frequency range,the rubbing was characterized by the rotation frequency and the n-th harmonic components,and usually these components were more obvious than the former.

vibration and wave;aeroengine;rotor-stator testing rig;rubbing;amplitude modulation

TB535

代碼：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.044

1006-1355(2015)03-0204-04

2014－12－20

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(N110203001)

金業(yè)壯(1964－)，男，沈陽人,博士研究生,副教授，主要研究方向為航空發(fā)動機及轉子動力學分析及測試。Email:jyz8133@163.com。