航空發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩實(shí)驗(yàn)

馬瑞賢，王鑫，王開明，李斌，廖明夫，王四季

1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072

2.中國航發(fā)集團(tuán)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大易引發(fā)轉(zhuǎn)靜碰摩故障，尤其是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)追求高推重比、低油耗，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)靜間隙更小，使轉(zhuǎn)靜碰摩概率更高，嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性［1-2］。

可從2 個(gè)方面入手減輕轉(zhuǎn)靜碰摩對發(fā)動(dòng)機(jī)安全的危害，一是對碰摩特征進(jìn)行識別和診斷，在碰摩故障進(jìn)一步惡化前將其排除；二是在易碰摩位置機(jī)匣內(nèi)環(huán)敷設(shè)耐磨涂層，利用涂層的可磨損性減輕碰摩作用。國內(nèi)外學(xué)者對轉(zhuǎn)靜碰摩作用下的整機(jī)振動(dòng)信號特征開展了深入研究。對于碰摩轉(zhuǎn)子，Chu 和Lu［3］、Ma 等［4-5］通過分析不同轉(zhuǎn)速下的碰摩轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征，指出了轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速前或后碰摩所引起轉(zhuǎn)子分倍頻、高倍頻振動(dòng)特征、轉(zhuǎn)子振幅變化的差異；Sun 等［6］開展了雙轉(zhuǎn)子碰摩的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)研究；侯理臻等［7］、劉棣等［8］采用進(jìn)動(dòng)理論分析了碰摩轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征。通過簡化數(shù)學(xué)模型或模擬實(shí)驗(yàn)器可進(jìn)一步考慮碰摩靜子/機(jī)匣的振動(dòng)特征。曾振坤等［9］基于數(shù)值仿真研究了動(dòng)葉-靜子耦合振動(dòng)特性；韓金昌等［10］計(jì)算了碰摩激勵(lì)力作用下機(jī)匣的位移和加速度振動(dòng)響應(yīng)；于明月等［11］通過測量指出，機(jī)匣應(yīng)變均值特征能有效識別定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)靜碰摩故障，碰摩過程中機(jī)匣應(yīng)變均值偏離非碰摩工況，實(shí)驗(yàn)所測得的應(yīng)變均值波動(dòng)量整體較平穩(wěn)；秦海勤等［12］分析了碰摩對雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和機(jī)匣振動(dòng)的影響，機(jī)匣振動(dòng)頻譜會(huì)出現(xiàn)2 個(gè)轉(zhuǎn)子的組合頻率，王南飛等［13］在實(shí)驗(yàn)中亦觀察到這種組合頻率特征。

耐磨涂層對轉(zhuǎn)靜子碰摩特性具有顯著影響。張俊紅等［14］、Batailly 和Legrand［15］分析指出在碰摩過程中封嚴(yán)涂層有效降低了機(jī)匣振動(dòng)加速度；Yang 等［16］針對定點(diǎn)碰摩的仿真結(jié)果表明，機(jī)匣凸點(diǎn)軟材料對轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響更小；文獻(xiàn)［17-19］考慮了葉片-機(jī)匣摩擦熱效應(yīng)影響和耐磨涂層磨損，數(shù)值模擬結(jié)果表明，接觸狀態(tài)對葉片振動(dòng)特性的影響較大；Stringer 和Marshall［20］研究了侵入速率對磨損機(jī)制的影響；Padova 等［21］在葉片-機(jī)匣碰摩研究中，機(jī)匣處理采用了銅/特氟龍混合涂層，結(jié)果表明轉(zhuǎn)靜嚴(yán)重碰摩使葉尖侵入特氟龍涂層時(shí)，產(chǎn)生較大的碰摩力；Berthoul 等［22］通過對葉片-涂層機(jī)匣碰摩的計(jì)算，指出涂層沿周向和徑向的磨損形貌與葉片模態(tài)有關(guān)，碰摩引起的涂層磨損模式一致，但涂層磨損程度與涂層材料參數(shù)密切相關(guān)。以上轉(zhuǎn)靜子碰摩耦合振動(dòng)研究集中于葉片-機(jī)匣碰摩（關(guān)注葉片共振），涂層以金屬基耐磨材料為主。

國外先進(jìn)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP、CFM56 系列的增壓級采用了篦齒-硫化橡膠涂層流道板密封，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：一是相較于葉片而言，篦齒剛度較大，轉(zhuǎn)靜碰摩振動(dòng)能量不易激起篦齒共振，因此碰摩轉(zhuǎn)靜子振動(dòng)能量傳遞路徑應(yīng)更復(fù)雜；二是硫化橡膠涂層材料屬性與金屬基耐磨涂層差異大，其耐高溫性差、黏滯性強(qiáng)，與轉(zhuǎn)子碰摩過程中材料屬性將產(chǎn)生顯著變化，帶來更強(qiáng)的非線性特征。然而目前關(guān)于篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩的研究尚不多見，碰摩作用下轉(zhuǎn)靜子振動(dòng)特征亦不明確，尤其是缺乏公開的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對相關(guān)碰摩模型驗(yàn)證、橡膠涂層密封性能提升設(shè)計(jì)的支撐不足。

針對篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩，本文開展轉(zhuǎn)靜碰摩實(shí)驗(yàn)器設(shè)計(jì)，模擬大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級篦齒-橡膠涂層機(jī)匣的典型結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行轉(zhuǎn)靜局部碰摩引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)、機(jī)匣與支座振動(dòng)、機(jī)匣與彈支應(yīng)變、機(jī)匣溫度等信號的同步測量，分析不同碰摩轉(zhuǎn)速下信號的時(shí)頻域特征，并對轉(zhuǎn)靜子耦合振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行討論。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)靜碰摩實(shí)驗(yàn)器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)器基于某型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，采用動(dòng)力學(xué)相似原則設(shè)計(jì)，并模擬真實(shí)增壓級轉(zhuǎn)靜子典型結(jié)構(gòu)特征，主要包括：① 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用“0-2-1”支承方案；② 采用前后支點(diǎn)“彈性支承+擠壓油膜阻尼器”的支承結(jié)構(gòu)；③ 增壓級鼓筒與機(jī)匣均為懸臂式薄壁結(jié)構(gòu)；④ 尖銳篦齒結(jié)構(gòu)和真實(shí)橡膠涂層材料。

轉(zhuǎn)子支承軸承的類型及型號如表1所示，1、2 號軸承內(nèi)環(huán)均過盈安裝于風(fēng)扇軸上，5 號軸承過盈安裝于渦輪盤后的軸上，在1、5 號軸承處均采用了鼠籠式彈性支承（簡稱彈支）、擠壓油膜阻尼器，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)其余部件主要包括風(fēng)扇盤、增壓級鼓筒、風(fēng)扇軸、渦輪軸、渦輪盤等，其中增壓級鼓筒和風(fēng)扇軸前端均通過止口定位與風(fēng)扇盤相連，風(fēng)扇軸后端采用套齒與渦輪軸前端相連，渦輪盤組件過盈安裝于渦輪軸上，渦輪軸通過柔性聯(lián)軸器與電機(jī)相連，轉(zhuǎn)子部件的主要特征尺寸見表2。轉(zhuǎn)子風(fēng)扇盤、渦輪盤均預(yù)留平衡孔，可模擬不同殘余不平衡量的影響。靜子系統(tǒng)包括增壓級篦齒封嚴(yán)機(jī)匣、前后支座、彈性支承、擠壓油膜阻尼器等，其中增壓級篦齒封嚴(yán)機(jī)匣經(jīng)過轉(zhuǎn)接機(jī)匣采用整圈均布螺栓與前支座相連，螺栓孔預(yù)留偏心調(diào)節(jié)間隙，封嚴(yán)機(jī)匣可實(shí)現(xiàn)上下左右4 個(gè)方向偏心可調(diào)。1、2號軸承共用前支座支承，5 號軸承由后支座支承。如圖1 中的篦齒部位的局部細(xì)化圖所示，本文中的轉(zhuǎn)靜碰摩部位為增壓級篦齒與增壓級篦齒機(jī)匣，其中機(jī)匣內(nèi)環(huán)敷設(shè)了硫化橡膠涂層。轉(zhuǎn)子采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減少齒輪箱驅(qū)動(dòng)帶來的干擾振動(dòng)，電機(jī)最大功率為220 kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20 000 r/min，升速率和減速率可調(diào)，本實(shí)驗(yàn)中均設(shè)定為10 r/s。

表1 支點(diǎn)軸承型號Table 1 Types of supporting bearings

表2 主要轉(zhuǎn)子部件的特征尺寸Table 2 Characteristic sizes of main rotating components

1.2 轉(zhuǎn)靜碰摩結(jié)構(gòu)

增壓級橡膠涂層機(jī)匣實(shí)物如圖2所示，圖中虛線框內(nèi)給出了硫化橡膠涂層的局部細(xì)化圖。橡膠涂層為整周板式結(jié)構(gòu)，厚度為2 mm、寬度為21 mm。碰摩轉(zhuǎn)子部件-增壓級篦齒的齒數(shù)為2、齒高8 mm（見圖1 實(shí)驗(yàn)器總體示意圖）。

圖2 硫化橡膠涂層機(jī)匣Fig.2 Vulcanized rubber coated casing

為了便于在后續(xù)分析中評估機(jī)匣、鼓筒可能的共振對測量信號的影響，計(jì)算了機(jī)匣和鼓筒固有頻率。機(jī)匣前4 階固有頻率（fω1～fω4）及模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖3所示，圖中xˉ為無量綱位移值，計(jì)算中忽略了螺栓連接結(jié)構(gòu)對機(jī)匣剛度的弱化作用，并忽略了碰摩剛度。可以看到，機(jī)匣固有頻率在500 Hz 以上，前4 階模態(tài)依次為橡膠涂層環(huán)的局部模態(tài)和機(jī)匣的前3 階節(jié)徑模態(tài)，其中第4 階固有頻率fω4=774.3 Hz三節(jié)徑振型相對位移較大。

圖3 機(jī)匣固有頻率及模態(tài)Fig.3 Natural frequencies and modes of casing

圖4 給出了鼓筒固有頻率、模態(tài)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算時(shí)忽略了鼓筒螺栓連接對剛度的影響，以及輪盤、風(fēng)扇軸對鼓筒的影響。可以看到，鼓筒低階模態(tài)為節(jié)徑振型，第1 階固有頻率約為500.0 Hz。

圖4 鼓筒固有頻率及模態(tài)Fig.4 Natural frequencies and modes of drum

2 測量系統(tǒng)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)對轉(zhuǎn)靜子碰摩信號開展了系統(tǒng)測量，傳感器布置如圖5所示。轉(zhuǎn)子信號為鼓筒振動(dòng)位移，測量位置位于鼓筒靠近篦齒處，在水平、豎直2 個(gè)方向布置電渦流位移傳感器。測量的靜子信號包括：機(jī)匣溫度，在封嚴(yán)環(huán)豎直上方和水平方向粘貼熱電偶；機(jī)匣應(yīng)變，在封嚴(yán)環(huán)水平方向左右兩側(cè)、豎直方向上下兩側(cè)各粘貼2 個(gè)應(yīng)變片，采用半橋法測量；彈支應(yīng)變，測量方式與機(jī)匣應(yīng)變相同；機(jī)匣與前支座振動(dòng)加速度，在機(jī)匣與前支座的豎直與水平方向各布置1 個(gè)加速度傳感器。實(shí)驗(yàn)中的傳感器類型及相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 傳感器參數(shù)Table 3 Parameters of sensors

圖5 傳感器布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensors location

安裝后的增壓級篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩系統(tǒng)如圖6所示。本文研究的是轉(zhuǎn)靜子局部偏心碰摩，通過沿豎直方向向下調(diào)整機(jī)匣的安裝偏心量來改變轉(zhuǎn)靜間隙，但由于橡膠涂層材料特別軟、精確加工難度大、轉(zhuǎn)靜子間隙極小，導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)靜子間隙難以直接準(zhǔn)確測定。采用間接法進(jìn)行大致估計(jì)，測定步驟為：① 采用細(xì)塞尺調(diào)整橡膠涂層與封嚴(yán)篦齒之間的間隙至0.6 mm（該值是無偏心狀態(tài)轉(zhuǎn)靜間隙設(shè)計(jì)值），并利用高度尺測量該狀態(tài)下機(jī)匣外徑最高處的高度值H0，以此為機(jī)匣基準(zhǔn)高度；② 豎直向下調(diào)整機(jī)匣高度至H1，使H0與H1之差滿足預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)靜偏心間隙值δ。但在實(shí)驗(yàn)過程中，準(zhǔn)確估計(jì)轉(zhuǎn)靜偏心間隙值極其困難，因此同步結(jié)合了不平衡量控制，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速碰摩。在給定的機(jī)匣安裝偏心量和不平衡量下，通過逐漸升高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大鼓筒的不平衡響應(yīng)，使篦齒與橡膠涂層逐漸碰摩。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按預(yù)設(shè)的臺階形式逐漸升高，直至2 400 r/min 后減速停機(jī)，經(jīng)前期轉(zhuǎn)子動(dòng)特性測試，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為2 162 r/min 左右。共開展了2 組不同碰摩轉(zhuǎn)速下的碰摩實(shí)驗(yàn)：工況1，2 121 r/min 碰摩；工況2，1 663 r/min 碰摩。

圖6 組裝后碰摩轉(zhuǎn)靜子系統(tǒng)實(shí)物Fig.6 Photo of assembled rubbing rotor-stator system

3 靜子測試結(jié)果與分析

3.1 碰摩對橡膠涂層的影響

圖7 給出工況1 碰摩后的機(jī)匣橡膠涂層與篦齒，與圖2 碰摩前對比可以看出，在篦齒摩擦作用下，涂層沿周向出現(xiàn)了2 道磨痕。從宏觀方面，磨痕集中于機(jī)匣安裝狀態(tài)豎直上方（即機(jī)匣偏心小間隙方向）一定弧度內(nèi)，圓周范圍約為210°，機(jī)匣碰摩為局部碰摩；然而磨痕沿圓周方向中心并不位于機(jī)匣豎直正上方，而是偏移約30°，這應(yīng)與轉(zhuǎn)子振動(dòng)相位有關(guān)，即與渦動(dòng)橢圓長軸方向有關(guān)。從圖7（a）中橡膠涂層磨痕局部放大圖還可注意到，在該圓周區(qū)域的涂層上附著了磨損后的橡膠粉末，2 道磨痕規(guī)則、邊界清晰，形似“犁口”，這主要是因?yàn)轶鼾X寬度小，與涂層接觸主要是切入過程，磨痕深度最大約1.2 mm（后續(xù)可看到該值遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值），寬度約為1.6 mm。實(shí)驗(yàn)過程中，碰摩發(fā)出刺耳響聲，同時(shí)產(chǎn)生了濃烈的橡膠燒焦味道，碰摩過程熱效應(yīng)顯著，橡膠涂層在與篦齒碰摩過程中存在磨損-焦燒過程。從圖7（b）所示篦齒圖中，同樣可觀察到附著于篦齒局部的橡膠粉末。可見，橡膠涂層在與篦齒碰摩過程中磨損嚴(yán)重。

圖7 工況1 碰摩后的橡膠涂層與篦齒Fig.7 Rubber coating and labyrinth after case 1 rubbing

3.2 機(jī)匣溫度

圖8（a）、圖8（b）分別給出了工況1、未碰摩工況下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及水平方向機(jī)匣溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖中未給出豎直碰摩方向的溫度結(jié)果是因?yàn)闄C(jī)匣碰摩振動(dòng)過大導(dǎo)致該方向的熱電偶導(dǎo)線斷裂失效。可以注意到，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至2 100 r/min附近時(shí)（對應(yīng)于t=426.0 s 時(shí)刻）發(fā)生明顯波動(dòng)，出現(xiàn)了“掉轉(zhuǎn)—超加速—過減速”的過程，當(dāng)降速至2 000 r/min 時(shí)減速率恢復(fù)至預(yù)設(shè)減速率10 r/s逐漸停機(jī)。轉(zhuǎn)速波動(dòng)階段如圖8（a）中灰色區(qū)域及局部細(xì)化圖所示。特別地，在轉(zhuǎn)速波動(dòng)的掉轉(zhuǎn)階段，機(jī)匣的溫度同步快速升高，掉轉(zhuǎn)階段結(jié)束之后機(jī)匣溫度逐漸下降。這種轉(zhuǎn)速波動(dòng)與機(jī)匣溫升現(xiàn)象來源于篦齒與橡膠涂層碰摩。

圖8 轉(zhuǎn)速與機(jī)匣溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Rotating speed and rubbing-casing temperature over time

碰摩對轉(zhuǎn)子施加了與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，一方面，如前所述，橡膠涂層在碰摩過程中的磨損和焦燒會(huì)改變涂層與篦齒的接觸特性；另一方面，靜子振動(dòng)亦導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子間隙變化，因此碰摩反向扭矩是動(dòng)態(tài)變化的，同時(shí)電機(jī)對轉(zhuǎn)子的正向扭矩受到以升速率為目標(biāo)的反饋控制。在2 種動(dòng)態(tài)扭矩共同作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)，尤其是對于轉(zhuǎn)速波動(dòng)的掉轉(zhuǎn)階段，轉(zhuǎn)靜摩擦反扭矩過大，直接導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子瞬時(shí)降轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生了大量的瞬時(shí)熱量，機(jī)匣溫度快速升高，使橡膠熔化，同時(shí)機(jī)匣劇烈振動(dòng)加劇了涂層磨損，使涂層與機(jī)匣的碰摩作用逐漸減弱；涂層磨損與橡膠熔化雙重作用，使轉(zhuǎn)靜接觸變?nèi)酰敝练蛛x（此處值得說明的是，后續(xù)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析將進(jìn)一步說明此處的篦齒與涂層分離并非由轉(zhuǎn)子振幅減小所引起）；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，機(jī)匣溫度逐漸降低。由此可見，篦齒與橡膠涂層碰摩會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的短時(shí)瞬態(tài)摩擦。

需要說明的是，圖8（a）中機(jī)匣溫度在碰摩過程中僅升高了3 ℃，與3 個(gè)因素有關(guān)：一是該測點(diǎn)是水平方向測點(diǎn)，而主要碰摩區(qū)域位于豎直方向附近，故該測點(diǎn)碰摩產(chǎn)熱量相對少；二是相對于金屬材料，橡膠涂層導(dǎo)熱性差，使傳導(dǎo)至熱電偶的熱量少；三是碰摩為短時(shí)瞬態(tài)碰摩，使熱量傳導(dǎo)不具有持續(xù)性。文獻(xiàn)［21］測量了不同葉尖形狀與金屬基涂層持續(xù)碰摩下的溫升情況，所測溫升最大為1.5～10.0 ℃，且具有溫度緩慢上升的特點(diǎn)，但并未給出溫度測量方式和具體位置。此外，從圖8（b）可以看到，在整個(gè)未碰摩工況實(shí)驗(yàn)流程中溫度最高僅變化了約0.8 ℃。鑒于以上原因，實(shí)驗(yàn)所測量到的3.0 ℃溫升變化能反映碰摩現(xiàn)象。

3.3 機(jī)匣與彈支應(yīng)變

圖9（a）、圖9（b）分別給出了工況1、2 轉(zhuǎn)靜碰摩過程中靜子部件的時(shí)均應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線（圖中符號ε表示應(yīng)變），其中彈支給出了水平、豎直2 個(gè)方向，工況1 中機(jī)匣僅給出了水平方向的應(yīng)變，這是因?yàn)椴鸾馀瞿蟮膶?shí)驗(yàn)件發(fā)現(xiàn)，其豎直方向的應(yīng)變片因碰摩瞬態(tài)沖擊過大而損壞，工況2 中未提供機(jī)匣應(yīng)變亦是因?yàn)? 個(gè)方向應(yīng)變片均因碰摩沖擊而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。從圖9（a）中可以看出，碰摩工況1 的彈支應(yīng)變和機(jī)匣應(yīng)變發(fā)生突變，其時(shí)間與圖8（a）溫度急升、轉(zhuǎn)速驟降同步。機(jī)匣水平應(yīng)變均值先增大后減小，變化范圍為67.35，反映了在碰摩作用下機(jī)匣先向上方變形而后回彈的過程。同時(shí)，碰摩引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)作用于彈支，引起了彈支應(yīng)變均值的變化，且應(yīng)變?yōu)閱蜗蜃兓？梢钥吹剑瑥椫г谪Q直方向上的應(yīng)變均值變化量高于水平方向，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)靜碰撞發(fā)生在豎直方向；應(yīng)變均值從突變到恢復(fù)至穩(wěn)定耗時(shí)約3 s，與溫度急升、掉轉(zhuǎn)時(shí)間一致，進(jìn)一步說明該階段轉(zhuǎn)靜碰摩劇烈。對于工況2（見圖9（b）），碰摩導(dǎo)致的彈支應(yīng)變均值變化趨勢與工況1相同，說明了碰摩現(xiàn)象的一致性。

圖9 靜子部件應(yīng)變均值隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Time waveforms of averaged strains for stator components

3.4 機(jī)匣與支座振動(dòng)加速度

對于碰摩引起的靜子部件振動(dòng)，圖10 給出了工況1 機(jī)匣在水平、豎直方向的振動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，在時(shí)間t=426.0～426.4 s 之間機(jī)匣振動(dòng)持續(xù)增大，接著出現(xiàn)突降，之后機(jī)匣振動(dòng)再次持續(xù)增大，在約t=426.8 s 時(shí)振動(dòng)幅值進(jìn)一步急劇突增，振幅超過了50g（g為重力加速度），在該過程中轉(zhuǎn)速由2 123 r/min 升高至2 129 r/min。機(jī)匣振動(dòng)加速度時(shí)域波形突變性強(qiáng)且碰摩能量大，在t=426.8 s 時(shí)機(jī)匣振動(dòng)疑似突發(fā)失穩(wěn)。

圖10 工況1 機(jī)匣振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Time waveforms of vibration acceleration for case 1 rubbing-casing

圖11 進(jìn)一步給出了工況1 碰摩過程轉(zhuǎn)速為2 123 r/min 時(shí)的機(jī)匣振動(dòng)加速度頻譜圖。可看到在特征頻率f=745.3 Hz 處振動(dòng)峰值較大，且在該頻率兩側(cè)出現(xiàn)邊頻f1=709.9 Hz、f2=780.7 Hz，注意到此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻fΩ=35.4 Hz，則邊頻滿足f1=f-fΩ、f2=f+fΩ。同時(shí)，結(jié)合圖3 機(jī)匣固有頻率分析結(jié)果，f=745.3 Hz應(yīng)為機(jī)匣第4 階固有頻率，但略低于1.2 節(jié)中固有頻率的仿真結(jié)果，誤差來源于計(jì)算機(jī)匣固有頻率時(shí)忽略了螺栓連接的剛度弱化作用。由此可見，碰摩引起了機(jī)匣共振，并產(chǎn)生了固有頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的組合頻率。

圖11 工況1 機(jī)匣振動(dòng)加速度頻譜圖Fig.11 Spectrums of vibration acceleration for case 1 rubbing-casing

圖12 給出了工況1 前支座在轉(zhuǎn)靜碰摩階段的振動(dòng)加速度波形。可以看出，與圖10 機(jī)匣振動(dòng)相比，支座的振動(dòng)響應(yīng)相對滯后，其振幅在t=426.8 s 左右開始增大，高幅值振動(dòng)（最大10g）持續(xù)約3 s，期間振幅出現(xiàn)多次突變，在t=430 s 后支座振動(dòng)恢復(fù)正常。

圖12 工況1 前支座振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Time waveforms of vibration acceleration for case 1 front base

相應(yīng)地，圖13 給出了工況1 前支座振動(dòng)加速度頻譜圖。從圖中亦可觀察到與碰摩機(jī)匣一致的特征頻率及其與轉(zhuǎn)頻的組合頻率，但特征頻率處振動(dòng)加速度幅值低于機(jī)匣振動(dòng)幅值，該頻率應(yīng)由機(jī)匣傳遞至前支座。

圖13 工況1 前支座振動(dòng)加速度頻譜圖Fig.13 Spectrums of vibration acceleration for case 1 front base

對于低轉(zhuǎn)速碰摩，圖14 給出了工況2 前支座豎直振動(dòng)加速度波形及頻譜圖。可以看到在支座加速度波形中存在頻率調(diào)制，導(dǎo)致了明顯的“拍振”現(xiàn)象。進(jìn)一步從圖14（b）的頻譜圖中，可捕捉到751.7 Hz 主特征頻率，及其與轉(zhuǎn)頻（fΩ=26.5 Hz）的組合頻率725.7、777.8 Hz。這種靜子部件振動(dòng)加速度出現(xiàn)機(jī)匣固有頻率與轉(zhuǎn)頻組合頻率的現(xiàn)象與高轉(zhuǎn)速碰摩相一致，但轉(zhuǎn)頻振動(dòng)對固有頻率振動(dòng)的調(diào)制作用更明顯。

圖14 工況2 前支座豎直振動(dòng)加速度波形及頻譜圖Fig.14 Time waveforms and spectrums of vertical vibration acceleration for case 2 front base

4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)測試結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步分析篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩的特點(diǎn)，圖15 給出了轉(zhuǎn)靜碰摩過程中鼓筒振動(dòng)位移的時(shí)間波形。可以看到，在t=427.0 s 附近轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移幅值減小，且振幅不再關(guān)于“零值”對稱，以鼓筒豎直方向振動(dòng)尤為明顯；在t=428.0～429.0 s 之間，振動(dòng)位移經(jīng)過了一個(gè)“零值對稱性”逐漸恢復(fù)的過程；在t=430.0 s 后，轉(zhuǎn)子振動(dòng)恢復(fù)為周期性穩(wěn)定狀態(tài)，上述過程即為轉(zhuǎn)靜碰摩對轉(zhuǎn)子作用的過程。注意到碰摩后的鼓筒振幅高于碰摩前，說明橡膠涂層熔化、靜子振動(dòng)加劇涂層磨損共同作用加大了轉(zhuǎn)靜間隙，使篦齒與涂層的摩擦作用減弱，也進(jìn)一步解釋了圖8 中機(jī)匣溫度降低的原因。

圖15 工況1 碰摩過程鼓筒振動(dòng)位移時(shí)間波形Fig.15 Time waveforms of drum vibration displacement during case 1 rubbing

圖16 給出了工況1 中鼓筒在不同轉(zhuǎn)靜碰摩時(shí)刻的振動(dòng)位移波形細(xì)化圖及相應(yīng)的頻譜圖。從圖16（a）可以看出，在轉(zhuǎn)靜碰摩初始階段鼓筒振動(dòng)以轉(zhuǎn)頻fΩ=35.4Hz及其2倍頻為主，即振動(dòng)特征頻率為“轉(zhuǎn)頻+低倍頻”；進(jìn)入碰摩掉轉(zhuǎn)速階段（見圖16（b）、圖16（c））后，在波形圖和頻譜圖中均可捕捉到高頻振動(dòng)成分，包括轉(zhuǎn)頻的6倍頻和8倍頻，而482.8 Hz（以及圖16（d）、圖16（e）中的490.2、491.6 Hz）、753.9 Hz 的頻率成分應(yīng)來源于轉(zhuǎn)靜子耦合振動(dòng)，其中753.9 Hz 對應(yīng)于機(jī)匣固有頻率共振，而490.0 Hz 左右的頻率成分來源于鼓筒一階固有頻率共振（見圖4），該階段的振動(dòng)特征頻率表現(xiàn)為“轉(zhuǎn)頻+低倍頻+機(jī)匣固有頻率/鼓筒固有頻率”。從圖16（d）～圖16（f）可以看出，隨著碰摩作用減弱，鼓筒振動(dòng)位移逐漸恢復(fù)為以轉(zhuǎn)頻為主，并伴有2 倍頻振動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征頻率恢復(fù)為“轉(zhuǎn)頻+低倍頻”。此外，還可以注意到，碰摩過程鼓筒轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值經(jīng)歷了先減小后增大的變化過程。

圖16 工況1 碰摩過程鼓筒振動(dòng)位移波形及頻譜Fig.16 Time waveforms and spectrums for drum vibration displacement during case 1 rubbing

轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移的變化過程說明：篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩具有可脫離、非持續(xù)性的特點(diǎn)；碰摩激起了轉(zhuǎn)子鼓筒和機(jī)匣的固有頻率共振，引起了振動(dòng)能量從低頻（轉(zhuǎn)頻）向高頻（共振頻率）的轉(zhuǎn)移。

圖17 給出了低轉(zhuǎn)速碰摩工況下鼓筒豎直方向振動(dòng)位移的時(shí)域波形。可以看到，從t=390.5 s左右開始，鼓筒振動(dòng)位移整體向正值逐漸偏移，在t=392.5 s 后振動(dòng)位移的“零值對稱性”逐漸恢復(fù)。碰摩引起鼓筒振動(dòng)位移波形的變化趨勢與高轉(zhuǎn)速碰摩工況1 相類似，但程度相對較輕。

圖17 工況2 碰摩過程鼓筒豎直方向振動(dòng)位移時(shí)間波形Fig.17 Time waveforms of drum vibration displacement along vertical direction during case 2 rubbing

對于圖17 碰摩過程中波形變化最劇烈的時(shí)間段t=391.8～391.9 s，圖18 給出了位移細(xì)化波形及相應(yīng)的頻譜圖。與圖16（b）、圖16（c）相比，實(shí)驗(yàn)中低轉(zhuǎn)速碰摩所引起的高頻成分相對較少，僅捕捉到了750.0 Hz 左右的特征頻率，該頻率與高轉(zhuǎn)速碰摩結(jié)果相同，應(yīng)是轉(zhuǎn)靜子耦合碰摩引起的機(jī)匣共振。

圖18 工況2 下1 666 r/min 碰摩時(shí)鼓筒振動(dòng)位移時(shí)間波形及頻譜圖Fig.18 Time waveforms and spectrums for drum vibration displacement during case 2 rubbing at 1 666 r/min

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了低壓轉(zhuǎn)子增壓級篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩實(shí)驗(yàn)器，系統(tǒng)測量和分析了不同轉(zhuǎn)速碰摩過程中轉(zhuǎn)靜子振動(dòng)、溫度、應(yīng)變、轉(zhuǎn)速信號的相關(guān)特征，得到如下主要結(jié)論：

1） 實(shí)驗(yàn)器模擬了大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、增壓級轉(zhuǎn)靜子的典型結(jié)構(gòu)特征，包括轉(zhuǎn)子的支承形式、彈支+擠壓油膜阻尼器支承結(jié)構(gòu)、增壓級鼓筒和機(jī)匣的懸臂薄壁式結(jié)構(gòu)、篦齒與真實(shí)橡膠涂層的小切入面積碰摩作用。

2） 在橡膠可磨損與可熔化雙重特性作用下，篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩短時(shí)熱效應(yīng)顯著，具有瞬態(tài)碰摩能量大、碰摩短時(shí)自脫離的特點(diǎn)。

3） 在碰摩過程中，轉(zhuǎn)子鼓筒的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值先減小后增大；碰摩嚴(yán)重時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號中可捕捉到機(jī)匣固有頻率，轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征頻率經(jīng)過了“轉(zhuǎn)頻+低倍頻”—“轉(zhuǎn)頻+低倍頻+機(jī)匣固有頻率/鼓筒固有頻率”—“轉(zhuǎn)頻+低倍頻”的變化過程。

4） 在轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號、機(jī)匣、支座振動(dòng)信號中均存在機(jī)匣固有頻率與轉(zhuǎn)頻的組合頻率，振動(dòng)加速度出現(xiàn)“拍振”，機(jī)匣可能發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)靜子耦合振動(dòng)效應(yīng)明顯；關(guān)于振動(dòng)幅值特征，支座振動(dòng)幅值明顯低于機(jī)匣振動(dòng)。

5） 篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩過程中伴隨著轉(zhuǎn)速突降—加速升高波動(dòng)、機(jī)匣溫度突升—下降、擠壓油膜阻尼器與機(jī)匣應(yīng)變均值的同步突變、應(yīng)變均值突變后快速恢復(fù)原狀態(tài)。

初步獲得了模擬增壓級篦齒-橡膠涂層機(jī)匣碰摩引起的轉(zhuǎn)靜子振動(dòng)、機(jī)匣溫度、機(jī)匣應(yīng)變信號，但碰摩工況較少，準(zhǔn)確測量碰摩間隙難度大，故在定量評價(jià)碰摩程度方面仍存在一定困難，對碰摩引起的轉(zhuǎn)靜子信號特征提煉仍不全面，此外，對篦齒-橡膠碰摩過程的機(jī)制揭示亦不充分。后續(xù)將從篦齒-橡膠涂層碰摩理論模型、豐富碰摩信號特征及特征定量化提取、不同參數(shù)碰摩實(shí)驗(yàn)及仿真等方面開展研究。