某航空發(fā)動機減速器的工作模態(tài)測試與分析

摘 要：在溫度高、轉(zhuǎn)速高等惡劣工作條件下，中小航空發(fā)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(jù)減速器機匣的結(jié)構(gòu)選取合適的拾振點，并建立簡化模型，利用LMS儀器采集響應(yīng)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(fā)動機減速器的實際邊界條件下的模態(tài)參數(shù)（工作模態(tài)），找出減速器振動大的原因，可作為減速器機匣結(jié)構(gòu)設(shè)計和故障診斷的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；減速器；工作模態(tài)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(fā)動機關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)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(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率、阻尼比和模態(tài)振型等）是結(jié)構(gòu)的固有屬性，通過分析模態(tài)參數(shù)，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)在某頻段內(nèi)的實際振動響應(yīng)，從而為結(jié)構(gòu)的故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面提供依據(jù)[1]。因此，對減速器進行模態(tài)分析有重要的實際意義。

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

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

1 試驗方法

某航空發(fā)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(tài)分析，以了解其工作狀態(tài)的振動特性，為故障診斷分析提供依據(jù)。

1.1 測試設(shè)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(tǒng)、燃油系統(tǒng)、某航空發(fā)動機（含體內(nèi)減速器單元）、測試系統(tǒng)以及電器系統(tǒng)等。根據(jù)發(fā)動機最高工作轉(zhuǎn)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(tài)參數(shù)，設(shè)置試驗頻率測試范圍為0Hz～3kHz。本模態(tài)測試使用的設(shè)備包括LMS多通道振動模態(tài)試驗系統(tǒng)（用于振動響應(yīng)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(shù)量有限，遠少于最佳測點數(shù)量，因此在綜合考慮減速器結(jié)構(gòu)動力學特性的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)邊緣輪廓點、振源作用點、結(jié)構(gòu)交聯(lián)點、傳力點和重要響應(yīng)點等作為測點；測點盡量避開模態(tài)的節(jié)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(yōu)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(tài)振動信息具有代表性，能充分體現(xiàn)出減速器箱體各種工作狀況下的振動特性。

根據(jù)每個傳感器（測點）在減速器的位置坐標，在Test.lab里建立模態(tài)測試試驗?zāi)Ｐ停鐖D2所示。試驗?zāi)Ｐ忘c1∶1～1∶7對應(yīng)前機匣的測點；試驗?zāi)Ｐ忘c2∶1～2∶5和3∶1～3∶4對應(yīng)后機匣測點。LMS多通道振動模態(tài)試驗系統(tǒng)對振動響應(yīng)信號進行數(shù)據(jù)采集、分析，并計算互功率譜函數(shù)矩陣，進而識別出模態(tài)參數(shù)。由于試驗中靠近齒輪副的測點振動響應(yīng)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(fā)動機減速器機匣工作模態(tài)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(jù)第一輪試驗結(jié)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(fā)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(yīng)數(shù)據(jù)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(jiān)測了13個測點。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 工作模態(tài)參數(shù)識別

對航空發(fā)動機減速器這樣復雜且含有旋轉(zhuǎn)部件的裝置來說，在實際工作過程中會存在各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)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(tài)測試過程中，由于實際環(huán)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(tǒng)極點，因此在工作模態(tài)識別過程中存在“額外輸入峰”的辨識問題。“額外輸入峰”的表現(xiàn)主要為頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)且阻尼比較小。進行工作模態(tài)分析時，應(yīng)對“額外輸入峰”進行處理，以剔除其引起的虛假模態(tài)。再運用Op.PolyMAX法進行模態(tài)參數(shù)識別。該方法是一種用互功率譜進行未知激勵的模態(tài)參數(shù)識別方法，它集合了多參考點法和最小二乘復頻域法的優(yōu)點，可在復雜工況背景下準確識別模態(tài)參數(shù)。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的時頻云圖可知，數(shù)據(jù)段中存在大能量的頻率成分，為使分析的數(shù)據(jù)各頻率能量分布均勻，剔除某些頻率占主要能量的數(shù)據(jù)段，本次試驗工作模態(tài)試驗分析數(shù)據(jù)選取分別如圖3、圖4所示。

獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)Op.PloyMax分析可得穩(wěn)態(tài)圖，其中f、d、v、s分別表示假定極點增加時在給定精度內(nèi)頻率響應(yīng)函數(shù)分別在頻率、頻率和阻尼、頻率和模態(tài)參與因以及頻率與阻尼/模態(tài)參與因子保持穩(wěn)定的狀態(tài)。s為穩(wěn)定性好的最優(yōu)極點，選擇穩(wěn)態(tài)頻率時，s越多，得到的模態(tài)參數(shù)越精準，因此把縱向一致的s對應(yīng)的頻率看成l階。剔除虛假模態(tài)后的減速器模態(tài)參數(shù)見表1，前4階模態(tài)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(tài)分析結(jié)果進行驗證的常用方法是模態(tài)判定準則（MAC值），用于比較振型的一致性。2次模態(tài)振型的MAC值分別見表2和表3。兩次結(jié)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(tài)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(tài)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(shù)偏少，丟失部分特征，進而導致2階模態(tài)振型相近。

2.2 分析結(jié)果

根據(jù)第一輪試驗結(jié)果可知，1#減速器第3階工作模態(tài)頻率（1301Hz）和減速器的某對齒輪副嚙合頻率（1298Hz）極為接近，易發(fā)生共振。同時，該階模態(tài)振型為減速器機匣的扭轉(zhuǎn)振型，扭轉(zhuǎn)振動會引起機匣整體性能不穩(wěn)定，引起減速器機匣內(nèi)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(jié)合發(fā)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(jié)合該階模態(tài)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(jù)第二輪試驗結(jié)果可知，改進機匣后，2#減速器的第3階工作模態(tài)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(fā)生共振。在后續(xù)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(jié)論

本文應(yīng)用LMS儀器采集響應(yīng)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(fā)動機減速器的信號進行工作模態(tài)分析，主要結(jié)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(wěn)環(huán)境激勵情況下，獲得減速器的工作模態(tài)參數(shù)。2）分析了減速器第3階模態(tài)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(tài)可獲得減速器在工作狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)，為減速器的設(shè)計、使用和故障診斷提供依據(jù)。

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(tài)分析在減速器監(jiān)測和診斷中的應(yīng)用[J].振動、測試與診斷，2010，30（2）：197-200.