某航空發動機減速器的工作模態測試與分析

摘 要：在溫度高、轉速高等惡劣工作條件下，中小航空發動機減速器的振動特性較復雜。為得到減速器實際工況下真實的振動特性，本文先根據減速器機匣的結構選取合適的拾振點，并建立簡化模型，利用LMS儀器采集響應信號，然后對采集的信號進行濾波降噪，最后采用Op.PolyMAX法對信號進行分析，獲取航空發動機減速器的實際邊界條件下的模態參數（工作模態），找出減速器振動大的原因，可作為減速器機匣結構設計和故障診斷的依據。

關鍵詞：航空發動機；減速器；工作模態分析；故障診斷

中圖分類號：V 233" " " " 文獻標志碼：A

減速器是航空發動機關鍵部件，結構緊湊，傳動齒輪眾多，多種振動激勵源互相耦合。在其研制過程中，振動問題尤為突出，了解其振動特性可有效提高研制周期和安全性。模態參數（模態頻率、阻尼比和模態振型等）是結構的固有屬性，通過分析模態參數，可以預知結構在某頻段內的實際振動響應，從而為結構的故障診斷、狀態監測以及結構優化設計等方面提供依據[1]。因此，對減速器進行模態分析有重要的實際意義。

傳統的模態分析主要分為理論模態分析和試驗模態分析。目前理論模態分析方法中的有限元計算法存在理論假設和原始參數不確定的缺陷[2]；試驗模態分析法不符合實際邊界條件，而且像發動機減速器這樣的大型復雜結構難以激勵或者激勵花費很高。工作模態方法（Operational Modal Analysis，OMA）可以彌補這些缺陷，可僅根據結構在實際工作狀態下的響應信號來識別模態參數。運用該方法識別各模態參數，可真實反映結構在工作狀態下的動力學特性。

因此，本文基于LMS測試分析系統，采用Op.PolyMAX法識別出航空發動機減速器工作模態參數，并進行故障診斷，以準確實現故障定位并提出改進措施。

1 試驗方法

某航空發動機減速器隨整機試車時振動比較大。為了找出原因，需要對減速器進行工作模態分析，以了解其工作狀態的振動特性，為故障診斷分析提供依據。

1.1 測試設備

試驗器為整機試車臺，如圖1所示。主要包括測功器、傳動軸、滑油系統、燃油系統、某航空發動機（含體內減速器單元）、測試系統以及電器系統等。根據發動機最高工作轉速和減速器傳動比，計算出減速器齒輪副最高嚙合頻率為2000Hz。考慮嚙合頻率為激勵源，為盡量測得多階模態參數，設置試驗頻率測試范圍為0Hz～3kHz。本模態測試使用的設備包括LMS多通道振動模態試驗系統（用于振動響應信號記錄與分析）和PCB 4525B型三向加速度傳感器。

1.2 測點布置

由于傳感器數量有限，遠少于最佳測點數量，因此在綜合考慮減速器結構動力學特性的基礎上，將結構邊緣輪廓點、振源作用點、結構交聯點、傳力點和重要響應點等作為測點；測點盡量避開模態的節點或者支撐點；測點能較清楚地反映減速器的幾何形狀。由此確定了傳感器在減速器齒輪箱上的優化布置，前機匣沿周向布置7個測點，后機匣沿周向布置9個測點。該布置方法能確保測得的動態振動信息具有代表性，能充分體現出減速器箱體各種工作狀況下的振動特性。

根據每個傳感器（測點）在減速器的位置坐標，在Test.lab里建立模態測試試驗模型，如圖2所示。試驗模型點1∶1～1∶7對應前機匣的測點；試驗模型點2∶1～2∶5和3∶1～3∶4對應后機匣測點。LMS多通道振動模態試驗系統對振動響應信號進行數據采集、分析，并計算互功率譜函數矩陣，進而識別出模態參數。由于試驗中靠近齒輪副的測點振動響應較強烈，因此將測點1∶1和測點1∶2作為參考點。

1.3 試驗方案

發動機減速器機匣工作模態測試共進行了2輪試驗。第一輪試驗對象為整機試車時振動大的1#減速器，根據第一輪試驗結果對減速器機匣進行改進。第二輪試驗對象為改進減速器機匣的2#減速器。每輪試驗分別對發動機地慢-空慢、空慢-最大巡航、最大巡航-最大起飛、最大起飛-空中慢車等13種工況進行２次振動響應數據采集，選取2次試驗重復性較好的工況進行分析。

試驗最初擬定了16個測點，但進行正式試驗時，鑒于安裝座脫落、傳感器信號線與機匣干涉等原因，只監測了13個測點。

2 試驗數據分析

2.1 工作模態參數識別

對航空發動機減速器這樣復雜且含有旋轉部件的裝置來說，在實際工作過程中會存在各轉動件的轉頻及其倍頻、各齒輪的嚙合頻率等復雜的頻率成分，本文將這些頻率成分稱為“額外輸入峰”。

在減速器工作模態測試過程中，由于實際環境激勵通常存在大能量的“額外輸入峰”，而不是純粹的白噪聲，會增加額外的輸入極點，該輸入極點并不等于系統極點，因此在工作模態識別過程中存在“額外輸入峰”的辨識問題?！邦~外輸入峰”的表現主要為頻率與轉速有關且阻尼比較小。進行工作模態分析時，應對“額外輸入峰”進行處理，以剔除其引起的虛假模態。再運用Op.PolyMAX法進行模態參數識別。該方法是一種用互功率譜進行未知激勵的模態參數識別方法，它集合了多參考點法和最小二乘復頻域法的優點，可在復雜工況背景下準確識別模態參數。

根據試驗數據的時頻云圖可知，數據段中存在大能量的頻率成分，為使分析的數據各頻率能量分布均勻，剔除某些頻率占主要能量的數據段，本次試驗工作模態試驗分析數據選取分別如圖3、圖4所示。

獲得的數據經Op.PloyMax分析可得穩態圖，其中f、d、v、s分別表示假定極點增加時在給定精度內頻率響應函數分別在頻率、頻率和阻尼、頻率和模態參與因以及頻率與阻尼/模態參與因子保持穩定的狀態。s為穩定性好的最優極點，選擇穩態頻率時，s越多，得到的模態參數越精準，因此把縱向一致的s對應的頻率看成l階。剔除虛假模態后的減速器模態參數見表1，前4階模態振型如圖5所示。由于振型類似，因此只給出1#減速器的振型圖。

對模態分析結果進行驗證的常用方法是模態判定準則（MAC值），用于比較振型的一致性。2次模態振型的MAC值分別見表2和表3。兩次結果除了第2階和第3階振型間的MAC值偏高以外，其他各階模態間的MAC值均較低，說明它們間具有良好的正交性，評估了提取模態的正確性。第2階與第3階MAC值為20%左右，原因是布置的測點數偏少，丟失部分特征，進而導致2階模態振型相近。

2.2 分析結果

根據第一輪試驗結果可知，1#減速器第3階工作模態頻率（1301Hz）和減速器的某對齒輪副嚙合頻率（1298Hz）極為接近，易發生共振。同時，該階模態振型為減速器機匣的扭轉振型，扭轉振動會引起機匣整體性能不穩定，引起減速器機匣內齒輪不對中等問題，影響齒輪嚙合，導致嚙合頻率能量較大，整機試驗過程中振動增大。

結合發動機試車時1#減速器振動信號的頻譜分析可知，其振動大的主要能量集中在1298Hz，可基本判定減速器共振是振動大的主要原因。結合該階模態振型，對減速器進行改進，并增加機匣的剛度，以避開共振頻率。

根據第二輪試驗結果可知，改進機匣后，2#減速器的第3階工作模態頻率提高至1469Hz，與齒輪副嚙合頻率存在足夠的裕度（13.2%），不易發生共振。在后續的整機試驗中，2#減速器1298Hz的幅值明顯降低，從而驗證了試驗的準確性。

3 結論

本文應用LMS儀器采集響應信號，并對采集的信號進行濾波降噪，最后采用Op.PolyMAX法對2臺發動機減速器的信號進行工作模態分析，主要結論如下。1）Op.PolyMAX方法能夠在有色噪聲激勵、脈沖激勵等非平穩環境激勵情況下，獲得減速器的工作模態參數。2）分析了減速器第3階模態頻率與齒輪嚙合頻率接近，導致減速器振動大的原因，并提出改進措施。3）工作模態可獲得減速器在工作狀態下的模態參數，為減速器的設計、使用和故障診斷提供依據。

參考文獻

[1]BART" P，ROECK D.Stochastic system identification for operational"modal analysis：A review[J].Journal of dynamic systems， measurement"and control，2001，123（4）：659-667.

[2]程珩，趙遠.工作模態分析在減速器監測和診斷中的應用[J].振動、測試與診斷，2010，30（2）：197-200.