氣膜阻尼技術(shù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鄒云開

摘要：本文針對(duì)氣膜阻尼技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，開展模擬平板的振動(dòng)試驗(yàn)研究，為氣膜阻尼的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。設(shè)計(jì)了平板試件，提出了平板尺寸確定方法，確定了平板試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；建立了風(fēng)扇葉片模擬平板試件的振動(dòng)測試方法，根據(jù)氣膜平板振動(dòng)特性提出了試驗(yàn)儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)；分析試驗(yàn)中不確定因素的影響，為振動(dòng)試驗(yàn)的進(jìn)行提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：平板振動(dòng)；氣膜阻尼；振動(dòng)抑制；理論模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的常見原因，振動(dòng)故障占總故障的60%以上，葉片振動(dòng)故障占總振動(dòng)故障70%以上。為此，須進(jìn)行葉片減振設(shè)計(jì)。減振研究中，主要通過增加葉片阻尼達(dá)到減振效果。氣膜阻尼技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，適用于多階振型。因此氣膜阻尼技術(shù)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 試件的設(shè)計(jì)

首先確定試驗(yàn)用到的平板。帶氣膜阻尼系統(tǒng)的平板制作步驟為：制作一定尺寸的平板；選定氣膜安裝位置，其上銑出凹臺(tái)；制作薄板，滿足：尺寸與凹臺(tái)相等、厚度比凹臺(tái)小，凹臺(tái)深度與薄板厚度之差等于氣膜厚度。將薄板粘接到凹臺(tái)上，留出氣隙。

2 平板試件的具體設(shè)計(jì)

平板試件設(shè)計(jì)包括平板參數(shù)、氣膜尺寸和夾持端尺寸的確定等內(nèi)容。

2.1 平板參數(shù)的確定

根據(jù)對(duì)照原則，平板整體尺寸和材料相同，區(qū)別是有無氣膜及覆蓋板，平板材料與尺寸的選擇應(yīng)模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，具體地，測葉片前后緣從頂端到底部的距離，取平均作長度；測葉片頂端和底部的弦長，取平均作寬度；測葉片頂端和底部的最大厚度處的厚度，取平均作厚度。

2.2 氣膜參數(shù)的確定

氣膜參數(shù)需參照試驗(yàn)?zāi)康?，振?dòng)試驗(yàn)的氣膜參數(shù)確定方法如下：氣膜阻尼有效性試驗(yàn)，選理論研究和數(shù)值模擬中減振效果最大的氣膜尺寸及安裝位置。氣膜參數(shù)對(duì)減振效果影響的試驗(yàn)，應(yīng)針對(duì)要研究的氣膜參數(shù)設(shè)計(jì)氣膜平板。

3 激振器的選擇

3.1 振動(dòng)臺(tái)

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)：電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)頻率可達(dá)2Hz20kHz，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)控制。由于氣膜阻尼減振特性在高階、多階模態(tài)上較明顯，氣膜阻尼平板振動(dòng)試驗(yàn)一般在較寬頻域內(nèi)進(jìn)行。下表為模態(tài)分析得到的實(shí)心平板固有頻率。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選擇

試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器和配套程序。工作步驟為：通過傳感器將振動(dòng)的位移、速度、加速度等轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；對(duì)傳感器電信號(hào)進(jìn)行采樣；采樣數(shù)據(jù)傳計(jì)算機(jī)上；計(jì)算機(jī)輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求主要是通道數(shù)，針對(duì)試驗(yàn)中的傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需有至少等于傳感器數(shù)量的通道數(shù)。

3.3 夾具的選擇

夾具需根據(jù)振動(dòng)臺(tái)與試件特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法為：確定夾具組合方式，即部件間連接方式，分三種：螺紋組合、整體鑄造和焊接組合?？紤]到螺栓預(yù)緊力，優(yōu)先考慮整體鑄造或焊接組合。其次根據(jù)組合方式選擇材料。進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾具一階頻率大于試件的35倍。忽略螺栓作用，分析得到夾具一階頻率4475.6Hz，遠(yuǎn)大于平板5倍。說明夾具設(shè)計(jì)合理。

4 試驗(yàn)中不確定因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

簡諧運(yùn)動(dòng)的形式有三種：平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。三種運(yùn)動(dòng)對(duì)激發(fā)平板模態(tài)有很大影響。模擬得到平板應(yīng)變幅頻曲線如圖所示：

激發(fā)所有模態(tài)。只有轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)疊加的激勵(lì)才能激發(fā)平板所有振型。在實(shí)際試驗(yàn)中，為激發(fā)所有振型，應(yīng)使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)疊加的簡諧運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)的三種平板試件，即實(shí)心平板、帶氣膜阻尼平板和無薄板平板，提出了平板尺寸確定方法，根據(jù)氣膜平板振動(dòng)特性提出了試驗(yàn)儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)。隨后確定試驗(yàn)流程，包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、裝置安裝、進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理。同時(shí)分析了振動(dòng)臺(tái)激振方向?qū)υ囼?yàn)的影響，以期減少誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]T.Lewis，D.I.G.Jones，et al，Partial coverage air film damping of cantilever plates[J].Journal of Sound and Vibration，1997， 208（5）：869875.