飛機(jī)管路振動測試研究

朱　麗

?

飛機(jī)管路振動測試研究

朱麗

針對飛機(jī)細(xì)直徑管路振動產(chǎn)生的飛行故障，提出飛機(jī)管路振動測試的必要性，研究了管路振動測試的傳感器選型以及在管路上的安裝方式，并對其做出了試驗驗證。結(jié)果表明，這種測振方式可以有效地測試出細(xì)直管路振動信號參數(shù)，為飛行試驗提供保障。

隨著飛機(jī)材料的飛速發(fā)展，飛機(jī)輸油管路朝著精細(xì)的方向發(fā)展。由此帶來的管路振動已逐漸成為影響飛機(jī)整體性能的重要因素。因此，在各種環(huán)境條件下的管路振動測試就成為飛機(jī)測試技術(shù)的重點之一。而國內(nèi)鮮有飛機(jī)管路振動測試方面的研究，所以管路振動測試研究是一項急需的工程基礎(chǔ)測試技術(shù)。

一般飛機(jī)細(xì)直管路直徑約為10mm。在振動的動態(tài)激勵下，管路結(jié)構(gòu)中會激發(fā)出不同的振動模態(tài)，管路結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的振動加速度，致使其承受較大的交變應(yīng)力應(yīng)變載荷。可能會使管路因疲勞而遭到破壞，甚至發(fā)生斷裂，釀成嚴(yán)重的災(zāi)難事故。因此針對細(xì)直管路的測試研究顯得非常重要，并具有工程必要性。在本文中提出了飛機(jī)管路測試方法并做了相關(guān)實驗，為飛機(jī)管路振動加速度測試提供必要的依據(jù)。

管路振動測試研究

振動是一種機(jī)械振蕩，通常利用傳感器將振動量轉(zhuǎn)變成可以測量的物理量，目前最常用的是加速度傳感器，也稱加速度計。飛機(jī)管路的振動較易發(fā)生在中、低頻率段，常規(guī)的測量方法主要是采用電磁式拾振器，壓電式、應(yīng)變式加速度傳感器等方法。但由于所采用的傳感器及其敏感元件尺寸較大，在傳感器安裝時，會為管路系統(tǒng)帶來額外的附件重量，測量誤差加大，同時尺寸較大的傳感器安裝也存在較大困難。

以下利用2250A-10和2222C兩種振動傳感器，對于細(xì)直管路測振的傳感器選型、安裝方式及影響分析，并通過實驗進(jìn)行了驗證。

振動測試的傳感器選型

振動傳感器的形式很多，每種傳感器都有各自的特點和適用領(lǐng)域，針對飛機(jī)的細(xì)直徑管路振動，傳感器的選型主要從以下幾方面考慮：

（1）降低傳感器及其附加物（如固定裝置、引線等）對管路結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)產(chǎn)生的影響，選擇體積小、重量輕的加速度計；

（2）固定方式簡單，可以通過粘結(jié)劑進(jìn)行固定，也可以通過夾具進(jìn)行固定；

（3）防水密封性好，屏蔽性能好，適于機(jī)載應(yīng)用，具有機(jī)載資格認(rèn)證；

（4）橫向靈敏度低，測量精度較高，量程大，至少達(dá)到100g；

（5）工作的溫度范圍廣，頻率范圍寬，至少達(dá)到10Hz～2KHz。

為降低對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加重量，管路振動的測試主要選用微小型振動傳感器。經(jīng)過對多種振動傳感器的比對和分析，最終選擇美國Endevco公司的2250A-10型ICP型加速度計和2222C型壓電式加速度計。兩種傳感器的重量輕、量程大、溫度和頻率范圍寬，工作方式都是單軸測量，輸出信號引線形式均為同軸電纜。

2250A-10型為內(nèi)部自帶電荷放大電路，可以直接輸出電壓信號；2222C型則需要電荷放大器進(jìn)行信號調(diào)理。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　2250A-10和2222C主要技術(shù)指標(biāo)

傳感器安裝

振動傳感器的安裝從兩方面探討，安裝的方式和安裝的部位。

安裝方式

振動傳感器的安裝屬于接觸式測量。其安裝方法有使用黏結(jié)劑粘貼和安裝支架兩種方法。

一般情況下，振動傳感器直接安裝于被測系統(tǒng)上，要求其接觸剛度好、抗機(jī)械干擾性強(qiáng)，接觸面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。

采用支架安裝時，要求支架的質(zhì)量小、剛度好、支架兩個固定面接觸彈簧的自然頻率至少大于傳感器自然頻率的五倍。安裝支架時傳感器應(yīng)連同支架一起做幅頻特性試驗，滿足技術(shù)要求后方可裝機(jī)使用。

針對本文選取的2250和2222C兩種型號傳感器，不能采用傳統(tǒng)的粘結(jié)劑進(jìn)行粘貼安裝。由于管路結(jié)構(gòu)的表面是弧面，而加速度計與被測物體的接觸面是平面，因此本文使用了一種將弧面過渡為平面的夾具。先將夾具固定于管路上，通過黏結(jié)劑將加速度計布置于夾具表面。

安裝部位的選取

振動傳感器需要安裝在能反映被測件整體特性的位置，不能安裝在可能產(chǎn)生局部共振的位置。本文研究的對象是細(xì)直管路，根據(jù)機(jī)載測試環(huán)境的要求，傳感器的安裝要求其測量軸與被測軸平行，橫向敏感軸避開側(cè)向加速度最大的方向。

同時，要測試機(jī)上管路振動參數(shù)，需將振動傳感器安裝在管路重點部位。但是，傳感器的安裝部位是與整個管路的振動特性密切相關(guān)的，包括振動的模態(tài)、振型等。因此，需對管路的振動進(jìn)行有限元分析，建立其振動力學(xué)模型，以確定傳感器的合適安裝部位。

夾具對管路振動測試的影響

本研究使用的管路測振夾具是專門設(shè)計并制作的，本文不作詳細(xì)介紹。本文已選擇了傳感器的型號，安裝方式，安裝部位，但是需要試驗驗證測振傳感器測試的準(zhǔn)確度以及夾具對管路的影響。為了準(zhǔn)確測量細(xì)直管路的振動值，確定夾具對管路振動的影響。將管路固定在振動臺臺面上，振動傳感器用夾具固定在距離管路有一個固定距離位置，如圖1所示，測振傳感器用夾具安裝的細(xì)節(jié)如圖2所示。

使用夾具對測振準(zhǔn)確性的影響

要振動傳感器測試的振動值準(zhǔn)確，需要保證夾具對測振造成的影響盡可能小。為了確定夾具對飛機(jī)管路加速度影響的大小，做一組對比試驗，分別對傳感器在有夾具和無夾具兩種情況下進(jìn)行加速度值的測量，最后通過比較兩種情況下的振動值數(shù)據(jù)，從而判斷夾具對管路振動測試影響的大小。

表2　夾具影響試驗振動臺起振參數(shù)

首先，在夾具內(nèi)放置加速度計2222C，將放有加速度計的夾具固定在振動臺中心，靠近振動臺標(biāo)準(zhǔn)加速度計放置。振動臺按照表2給出的參數(shù)起振，采集不同頻率下加速度計2222C測得的加速度值；隨后，將加速度計從夾具中取出，再按照之前的位置固定，振動臺按照同樣的參數(shù)起振，采集該情況下的加速度計測得的加速度值。最后，對兩種情況的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)復(fù)數(shù)小波去噪，根據(jù)標(biāo)定的靈敏度計算出兩種情況下測得的加速度值，繪制加速度-頻率曲線，見圖3。

圖1　振動傳感器使用夾具安裝圖

圖2　夾具安裝細(xì)節(jié)圖

圖3　加速度—頻率曲線關(guān)系圖

分別計算兩種情況下不同頻率對應(yīng)的加速度值，并分別計算2222C在有、無夾具時的相對偏差r1和r。計算公式如式2所示：

式中，a1和a2分別為有夾具和無夾具時測得的加速度值；a為有夾具和無夾具測量數(shù)據(jù)的平均值。

2222C在有夾具和無夾具兩種情況下得出的不同頻率對應(yīng)的加速度值及相對偏差的大小，如表3所示。

表3　夾具影響試驗2222C測得的加速度值

從圖2中的對比圖形及表2中的對比數(shù)據(jù)可以直觀的看出，在低頻和高頻時有夾具和無夾具對所測得加速度值的影響都很小，基本可以忽略不計。

圖4　模態(tài)測試2222C幅頻響應(yīng)曲線

使用夾具對細(xì)直管路的影響

由頻率共振原理可知，管路在振動時，在其固有頻率附近管路的振動最為劇烈，此時對管路的影響也最大。因此，為了明確這種影響，有必要對固液耦合管路的模態(tài)頻率進(jìn)行測試。確定夾具對飛機(jī)上管路是否有影響。模態(tài)測試即為了測試固液耦合管路的模態(tài)頻率，明確對管路影響最大的頻率點。

模態(tài)測試試驗使用2222C進(jìn)行，加速度計使用夾具固定，將管路注油。振動臺夾具將管路固定于振動臺臺面上，加速度計布置的位置距離管路有固定距離完成后，使管路處于自由振動狀態(tài)，使用尖物敲擊管路，采集加速度計的相應(yīng)信號，如圖4所示。

用尖物敲擊管路后，采集加速度計的輸出信號，對其進(jìn)行傅里葉變換。在傅里葉變換的頻譜中可看出，某些頻率點的信號幅度特別突出。重復(fù)敲擊管路，信號頻率都只在固定的幾個頻率點上的信號幅度突出，通過繪制其頻譜圖，得出相應(yīng)的模態(tài)頻率。通過圖4可以看出管路的各階模態(tài)頻率，管路的高頻模態(tài)沒有凸顯出來，低階和中階的模態(tài)頻率為48Hz、272Hz、772Hz和1508Hz。如表4所示。

表4　固液耦合管路模態(tài)頻率測試結(jié)果

對飛機(jī)管路振動影響最大的頻率為其固有頻率，此時管路的振動最為劇烈。因此，需要試驗研究管路在模態(tài)頻率處的振動情況。管路共振測試是確定在模態(tài)頻率點時管路振動能達(dá)到的最大加速度值。實驗及其結(jié)果如表5所示。

表5　固液耦合管路共振振動臺振動參數(shù)設(shè)置及響應(yīng)結(jié)果

實驗結(jié)果表明：固液耦合管路在272Hz時振動加速度最大，根據(jù)校準(zhǔn)的靈敏度計算出不同頻率下對應(yīng)的加速度值，可以達(dá)到120g。

結(jié)語

通過對測振傳感器選型、安裝方式及相關(guān)分析和試驗，可得出以下結(jié)論：

a從安裝夾具的影響試驗以及數(shù)據(jù)分析可知，夾具對測振時的準(zhǔn)確度影響在低頻和高頻的情況下都十分微小，可以認(rèn)為，夾具對振動值的測量基本不產(chǎn)生誤差影響；

b通過對管路的固液耦合振動模態(tài)的測試，得出了固液耦合管路的模態(tài)頻率，分別為48Hz、272Hz、772Hz和1508Hz，同非注油空管測試得到的模態(tài)頻率相比，固液耦合管路的模態(tài)頻率有所降低，意味著管路結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生共振；

c通過對管路的固液耦合共振的測試可以得出，固液耦合管路在模態(tài)頻率點振動加速度值較大，最大可以達(dá)到120g。

本文對飛機(jī)細(xì)直管路振動測試進(jìn)行研究，并做試驗進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明本測振方式適用于飛機(jī)細(xì)直管路振動測試，可有效的測量出飛機(jī)管路的振動值，為飛行提供保障。

朱 麗

中國飛行試驗研究院

朱麗（1987-）女，江西人，漢族，碩士，工程師，主要從事飛行試驗機(jī)載系統(tǒng)測試研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.010