航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)處理方法

柳冬升

摘要：自第三次工業(yè)革命以來(lái)，我國(guó)的科技水平提升，2005年至今航天衛(wèi)星火箭的陸續(xù)發(fā)射，象征著我國(guó)目前也進(jìn)入了航天事業(yè)發(fā)展的大國(guó)，能夠自行的發(fā)射衛(wèi)星，與發(fā)達(dá)國(guó)家又接近了一步。目前階段，國(guó)家也逐漸對(duì)火箭航空所含的重要內(nèi)容重視起來(lái)，設(shè)立專門研究該方向內(nèi)容的大學(xué)，培養(yǎng)專業(yè)的人才。高等院校開(kāi)設(shè)的航空專業(yè)的課程針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣高頻的振動(dòng)測(cè)試，試驗(yàn)的過(guò)程中可選用具有高可靠性的壓電式振動(dòng)傳感器配接電荷放大器進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)要給出高頻振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法及其最初的數(shù)據(jù)。但是為了保證實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度、各個(gè)環(huán)節(jié)的通道傳感器以及數(shù)據(jù)的采集通道在重復(fù)的測(cè)試過(guò)程中不能交叉使用，因?yàn)槊總€(gè)環(huán)節(jié)都是基本獨(dú)立的，一般的傳感器應(yīng)當(dāng)采用螺栓剛性連接。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)試；信號(hào)處理方法

1.引言

目前在國(guó)內(nèi)，關(guān)于航天發(fā)動(dòng)機(jī)的研究在低涵道比大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)測(cè)試以及信號(hào)處理主要在10-2000HZ的中低頻率的范圍內(nèi)的研究，但是對(duì)于高頻振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中高頻振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)、破壞形式、測(cè)試方法以及關(guān)于信號(hào)的處理方式的研究比較少。隨著各國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)也應(yīng)當(dāng)跟隨發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，就現(xiàn)有的技術(shù)而言已經(jīng)無(wú)法滿足處理航天技術(shù)出現(xiàn)故障的需求，關(guān)于振動(dòng)高頻段的研究和應(yīng)用也逐漸地被各界人士所重視，不能出現(xiàn)某方面技術(shù)的空缺。本文通過(guò)對(duì)高校航天發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)課程的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過(guò)程，總結(jié)出了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣高頻振動(dòng)的測(cè)試方法以及信號(hào)處理的一些方式方法，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并作出分析以及利用實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用的展示，通過(guò)的這些數(shù)據(jù)的處理和分析，給出一些信號(hào)的處理方法和原理。

2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)試

2.1航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)源

目前我國(guó)現(xiàn)有的航空技術(shù)研究可知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻振動(dòng)源主要包含3個(gè)方面：①滾動(dòng)軸承內(nèi)的振動(dòng)；②外圈高頻振動(dòng)的故障引起的振動(dòng)；③滾動(dòng)體自傳的頻率引起的振動(dòng)。一般軸承出現(xiàn)故障時(shí)處理信號(hào)的方法比較成熟，因?yàn)檫@些信號(hào)都是出于中低頻段，主要有包絡(luò)解調(diào)以及統(tǒng)計(jì)相關(guān)的信號(hào)，可以對(duì)故障發(fā)生的演化過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的跟蹤。然而對(duì)外圈高頻段的識(shí)別是故障診斷的輔助手段，通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)葉片的通過(guò)頻率成分以及它的幅值的變化，就可以判定出發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉片的葉尖調(diào)塊、撕裂和卷曲等問(wèn)題。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)過(guò)程中，葉片為關(guān)鍵件，并且每級(jí)的葉片都是經(jīng)過(guò)特點(diǎn)的測(cè)試試驗(yàn)后才能投入安裝使用，具有很大的設(shè)計(jì)空間，并且設(shè)計(jì)要求都是十分嚴(yán)格的，這就致使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的頻率較低。再有就是滾動(dòng)體自傳中發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件系統(tǒng)中齒輪嚙合和副嚙合的頻率成分，這個(gè)附件系統(tǒng)中齒輪嚙合的傳動(dòng)鏈比較復(fù)雜并且具備功率的復(fù)查功能，因?yàn)辇X輪嚙合與副齒輪嚙合產(chǎn)生的共振造成齒輪斷裂的故障時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)條件下的高頻振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中的誤差控制

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)完成之后，需要對(duì)整個(gè)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行整體的校驗(yàn)，信息的傳遞和接收需要傳感器的作用，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的電纜及其數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)與最初原始的測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)保持一致，在經(jīng)過(guò)多次的開(kāi)機(jī)測(cè)試后的數(shù)據(jù)也是保持一致的。在高頻振動(dòng)下，振動(dòng)傳感器的連接方式是采用螺栓連接和云母圖的方式，這樣連接的優(yōu)勢(shì)是可以將振動(dòng)傳感器本身與接地的一些測(cè)試元件進(jìn)行隔離，可以有效的排除地面有效回路出現(xiàn)的問(wèn)題。為了提高安裝的強(qiáng)度，我們可以在振動(dòng)傳感器和接地元件的底面涂一層硅脂，改善在高頻振動(dòng)時(shí)兩者之間的耦合，然后用扳手使其達(dá)到規(guī)定的安裝扭矩。通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)得到的每個(gè)傳感器所對(duì)應(yīng)的通道的頻響特性和線性特性，根據(jù)均方根的理論在標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)下的不同頻率點(diǎn)，然后記錄數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中所顯示的電壓值，得到的在每個(gè)頻率下的響應(yīng)電壓和頻響曲線，每個(gè)振幅值下的線性電壓和線性曲線之間的關(guān)系如下表所示：

3.發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)信號(hào)的處理方法

3.1振動(dòng)幅值的表示方法

在航天發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣的高頻振動(dòng)信號(hào)一般都是屬于高頻穩(wěn)態(tài)的隨機(jī)信號(hào)，一般都是用加速度表示，加速度是牛頓第一定律延伸出來(lái)的數(shù)值，可以有效的表示出航天發(fā)動(dòng)機(jī)在高頻振動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)力的水平，現(xiàn)在設(shè)a（t）表示振動(dòng)過(guò)程中加速度的時(shí)間歷程，然而振動(dòng)加速度的有效值amm表示為：

在這個(gè)公式中，是對(duì)加速度的一種求導(dǎo)，需要用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行離散化的處理，振動(dòng)加速度的有效值是正弦信號(hào)各個(gè)波段分量振動(dòng)加速度的均方根值，不會(huì)受到其他波段因?yàn)橄辔徊煌a(chǎn)生相位差的影響，因此，在各個(gè)波段分量的變化上都會(huì)在振動(dòng)加速度的有效值上最終反映出來(lái)的。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的嚙合頻率細(xì)化

由上文可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣中含有很多的齒輪副，因?yàn)辇X輪副種類各不相同，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣不同頻率的成分，有的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)明顯的邊頻帶的形狀，但是為了區(qū)分這些不同種類的頻率成分，可以使用細(xì)化的頻率譜，將這些不同種類的頻率成分重新采集取樣。分別細(xì)化成不同的頻率段，對(duì)于頻率特征的捕捉具有重大的意義。在整個(gè)采樣的頻率中，需要對(duì)這些不同的頻率成分畫(huà)一個(gè)范圍，保證抽樣過(guò)程中的隨機(jī)性，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性。采樣不只是進(jìn)行一次，在進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采樣后，對(duì)下次進(jìn)行采樣時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，對(duì)于這樣的變換只要頻率和采樣的數(shù)據(jù)值是一定的，那么頻率的變化率也就會(huì)隨之而被確定下來(lái)。如果要提高這個(gè)分辨率就需要增大采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)或者減低頻率成分等方法，但是在降低頻率成分的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)丟失高頻數(shù)據(jù)的問(wèn)題，不宜采取這樣的方法。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多次的工程實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)中的機(jī)匣在高頻振動(dòng)信號(hào)情況下可以采用壓電式的傳感器配置前電荷放大器進(jìn)行控制，盡可能減少測(cè)試環(huán)節(jié)的中間環(huán)節(jié)，節(jié)約時(shí)間，但是為保證測(cè)量精度的準(zhǔn)確性，機(jī)匣與接地元件應(yīng)當(dāng)采用螺栓剛性連接。

參考文獻(xiàn)

[1]葛向東. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)處理方法[A]. 航空工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展中心、中國(guó)航空學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)專業(yè)委員會(huì)、《測(cè)控技術(shù)》雜志社.面向航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)——2013年航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)峰會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].

（作者單位：安徽新華學(xué)院）