航空發動機葉片靜頻測試技術研究

經留洋　范秀杰　劉濤

摘 要：通過對葉片靜頻測試方法的研究，分別從共振法和頻譜分析法進行分析，考慮多個因素的影響，對實際靜頻測試工作具有重要意義。

關鍵詞：葉片；靜頻；共振法；頻譜分析法

發動機研制生產和使用過程表明，葉片斷裂故障在發動機故障中占有相當大比例。而葉片斷裂故障大多是由于發動機工作時，受到離心載荷、氣動載荷及熱負荷綜合作用所致，但其中對葉片壽命影響最大的就是由各種外力造成的振動失效，所以在葉片裝機前對其進行固有頻率測試，研究葉片振動特性是十分必要的。

1 靜頻測試的意義

葉片頻率測試包括葉片靜頻測試和動頻測試，而我們通常所說的葉片頻率測試泛指葉片靜頻測試。所謂靜頻是指葉片在非旋轉狀態下的自振頻率。該頻率所對應的振動彈性線稱為振型。動頻則是指葉片旋轉狀態下的自振頻率。

在發動機實際運行中，由于葉片和盤的連接剛性以及離心力、溫度、氣動力的影響，導致葉片的自振頻率（實際動頻）與靜止狀態的自振頻率（靜頻）存在很大差異。在發動機運轉中常會發生葉片共振故障，對葉片調頻、控制葉片頻率分散度，是防止葉片共振故障的有效措施之一。為了防止葉片共振，很難根據葉片在臺架試車中實際測得動頻進行調頻，唯一可行的辦法則是通過調整葉片的靜頻來滿足實際工作時對葉片頻率特性和分散度的要求。也就是說，只能通過測量和控制葉片靜頻來反映葉片實際動頻的要求。顯然，靜頻試驗是必不可少的。

2 葉片靜頻測試方法

葉片靜頻測試有共振法和頻譜分析法。

2.1 共振法

共振法是葉片靜頻測試最廣泛采用的測試技術。它是基于共振原理，即葉片在周期性激振力作用下產生強迫振動，當激振力的頻率等于葉片自振頻率時，葉片的振幅急劇增加，通過測量系統可以準確地判斷葉片的共振狀態，通過輸入的激振力的頻率就能知道葉片的自振頻率，即葉片靜頻。常用的共振測試方法有振動臺共振法，渦流激振器測試法及壓電晶體片測試法等。

2.1.1 振動臺共振法

電磁振動臺是一種成套設備，一般由振動臺體和操縱控制臺兩大部分組成。振動臺屬于接觸激振器，零部件通過夾具固定在振動臺上，并與振動臺一起振動。電磁振動臺適用范圍較廣，是當前較為常用的一種激振設備。一些發動機生產廠還將電磁振動臺定為葉片測固有頻率的標準設備。

2.1.2 壓電晶體片測試法

壓電晶體片具有很重要的物理特性，稱為壓電性。當晶體片在一定方向上有機械應力作用時表面會出現符號相反的電荷，形成電場。改變力的大小和方向，表面電場也相應變化，除去外力，電場立即消失，這種現象稱為順壓電效應。反之，如果在壓電晶體上施加交變電場，則壓電體即產生交變的機械應變，稱為逆壓電效應。

2.1.3 渦流激振器測試法

電渦流激振器是一種非接觸式激振器，在零部件固有頻率測試中使用方便、靈活，沒有附加質量、剛度影響、測試精度高。渦流激振器在高頻使用是有限制的。提高頻率時，電流密度減小，激振減弱，對測頻是不利的。

2.2 頻譜分析法

頻譜分析法是通過力錘激勵葉片，借助數采系統的快速傅氏變換（FFT），迅速測出葉片的振動特性，經過數據處理得到振動參數。

對于實際的發動機零部件，一般屬于線彈性結構。可用有限元法將其劃分為N個具有粘性阻尼的單元體，傳遞函數頻譜分析法是通過對葉片輸入的激振力信號及葉片振動輸出的振動信號進行傳遞函數分析，得到葉片靜頻值。自譜分析法采用不帶力傳感器的力錘激勵葉片，使葉片振動，通過拾振傳感器采集葉片振動信號經過自譜分析得到葉片的靜頻數值。

3 葉片靜頻測試準確度的影響因素

3.1 夾具系統影響

在測試試驗過程中夾具系統對靜頻測試結果影響面很多，大致有以下幾點。（1）葉片與夾具配合狀況不良的影響。如配合表面不干凈，配合面不能始終保持相對位置（包括夾持部分）不變會對測試結果造成較大影響。（2）葉片加緊方式不同的影響。如樅樹型榫頭的葉片，帶有銷孔榫頭的葉片，夾緊方式不同，也會影響葉片測試頻率。（3）夾緊力的大小對葉片靜頻測試的影響。通常當整個測試系統不變時，葉片根部夾緊力逐漸增大，葉片靜頻測試值隨之增高。當夾緊力增大到一定值后，再加大夾緊力，葉片靜頻測試值保持不變。（4）夾具系統基座對葉片靜頻值的影響。夾具和振動臺面的剛性要足夠大，有時由于夾具與臺面接觸不良，連接不牢固或夾具與臺面剛性不足而影響測頻精度。夾具結構、夾緊方式的合理性，夾塊的加工精度及磨損裂紋均影響測頻的精度。夾具與葉片的質量比應大于30。

3.2 激振方式影響

如接觸式的激振器與非接觸式的電磁振動臺，以及上述的各種激振方式對葉片靜頻測試都有影響。因為對葉片有無附加質量、附加支點及其大小都會影響葉片靜頻測量值。事實上，激振方式問題往往還與夾具基座系統相聯系。同樣的葉片夾具基座系統因激振方式不同對葉片頻率值都會產生影響。

3.3 拾振系統影響

拾振系統（傳感器及測振儀）的幅頻特性不好或靈敏度不夠，不能準確地判斷葉片的共振狀態，影響測頻精度。拾振器固定不牢也會影響到測試結果。

3.4 人員操作影響

人員操作失誤，不按要求運行，人為誤差都會對靜頻測試結果產生很大的影響，在測試過程中要堅決避免。

4 結束語

在航空發動機生產研制中，精準地測試出葉片頻率是十分重要的，因而應有針對性地編寫葉片靜頻測試規程，以保證在葉片靜頻測試試驗中可以嚴格按照標準文件進行，從而避免影響測試準確度的因素出現。