慕琴琴,徐健,燕群,黃文超
(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 航空聲學(xué)與振動(dòng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065)
現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高性能、增加推質(zhì)比,通常采取縮小轉(zhuǎn)靜子之間間隙的方式增加氣密性,這樣就勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子之間碰摩的機(jī)率增大[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-機(jī)匣發(fā)生碰摩故障會(huì)導(dǎo)致葉片機(jī)匣變形及損傷,甚至?xí)鹑~片斷裂,引起轉(zhuǎn)子不平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)性能的損壞,甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)起火等嚴(yán)重事故[2-6]。20 世紀(jì)80 年代,大量學(xué)者已開(kāi)始探索碰摩問(wèn)題對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的影響。此后,又出現(xiàn)了大量研究碰摩故障誘因的文章[2]。關(guān)于轉(zhuǎn)靜子碰摩試驗(yàn)的研究,大量學(xué)者聚焦于不同碰摩響應(yīng)工況下碰摩響應(yīng)的載荷特性[7-10]。對(duì)于碰摩理論分析和仿真計(jì)算方面,有大量學(xué)者關(guān)注于碰摩引起的轉(zhuǎn)靜子動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征和碰摩力數(shù)學(xué)模型[11-14]。目前對(duì)于碰摩產(chǎn)生的局部細(xì)節(jié)特征,比如碰摩引起的葉片局部損傷和高周疲勞損傷等現(xiàn)象缺乏有效的理論分析和故障模擬,且大多數(shù)研究對(duì)轉(zhuǎn)子-盤(pán)片-機(jī)匣結(jié)構(gòu)都做了大量簡(jiǎn)化與假設(shè),機(jī)匣往往只考慮為一剛性體或者一維彈性單元,因此掩蓋了部分碰摩非線性動(dòng)力學(xué)行為[15-16]。
文中基于沖擊動(dòng)力學(xué)分析理論,建立了葉片-柔性機(jī)匣碰摩耦合動(dòng)力學(xué)模型,主要針對(duì)葉片-機(jī)匣碰摩的瞬態(tài)響應(yīng)特征和碰摩機(jī)理進(jìn)行研究,分析了葉片-機(jī)匣發(fā)生碰摩時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征,并與碰摩物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),其吻合性較好,證明了該仿真分析模型和仿真分析方法能夠很好地描述旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣之間碰摩動(dòng)力學(xué)行為。在此基礎(chǔ)上,對(duì)影響碰摩響應(yīng)的主要因素進(jìn)行了深入研究。其研究方法和揭示的機(jī)理均可以為旋轉(zhuǎn)機(jī)械碰摩故障的診斷和預(yù)測(cè)提供一定的支撐。
對(duì)于考慮機(jī)匣柔性特征的葉片-機(jī)匣碰摩,其實(shí)質(zhì)是兩個(gè)柔性體之間的碰撞,因此碰撞力主要與碰撞柔性體的變形有關(guān)[17]。葉片-機(jī)匣碰摩瞬時(shí)的力學(xué)模型如圖1 所示,將柔性機(jī)匣碰摩位置等效為一個(gè)彈簧-阻尼系統(tǒng)。在發(fā)生碰摩時(shí),機(jī)匣碰摩位置徑向變形量為a;同時(shí)葉片在碰摩法向力作用下發(fā)生軸向壓縮變形,變形量為b。因此,葉片與機(jī)匣的侵入量d為[18]:
對(duì)于轉(zhuǎn)子葉片,在葉片-機(jī)匣碰摩瞬時(shí),忽略碰摩產(chǎn)生的熱和氣動(dòng)效應(yīng),根據(jù)機(jī)械守恒定律,碰摩力做的功相當(dāng)于葉片的彈性勢(shì)能和離心勢(shì)能的變化,得:式中:WF為葉片碰摩力做的功;ΔUe為葉片彈性勢(shì)能的變化;ΔUc為葉片離心勢(shì)能的變化;
圖1 葉片-彈性機(jī)匣碰摩力學(xué)模型Fig.1 Blade-elastic casing rub-impact mechanical model
最后整理得到葉片法向碰撞力Fn的解析表達(dá)式為[19]:
式中:μ為葉片與機(jī)匣接觸面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
文中基于沖擊動(dòng)力學(xué)理論,建立了轉(zhuǎn)子-盤(pán)片-機(jī)匣耦合動(dòng)力學(xué)模型。為了研究葉片-機(jī)匣碰摩的動(dòng)力學(xué)行為,盡量減少其他影響因素,將轉(zhuǎn)軸和輪盤(pán)假設(shè)為剛體,葉片與輪盤(pán)榫頭處近似為剛性綁定連接,將葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一平板結(jié)構(gòu)。根據(jù)三維數(shù)模對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散,整個(gè)碰摩系統(tǒng)的有限元分析模型如圖2 所示,包含4 個(gè)對(duì)稱(chēng)葉片,整個(gè)系統(tǒng)均采用六面體單元進(jìn)行建模。葉片-機(jī)匣初始徑向間隙為0.03 mm,轉(zhuǎn)子初始轉(zhuǎn)速為3000 r/min。輪盤(pán)與轉(zhuǎn)軸以及葉片與輪盤(pán)均采用綁定 “tied” 剛性連接[21]。轉(zhuǎn)軸和輪盤(pán)假設(shè)使用剛性很大的鋼材料,在碰摩過(guò)程中產(chǎn)生的響應(yīng)很小,幾乎不發(fā)生變形,葉片采用鈦合金材料,機(jī)匣為鋁制/鋼制合金材料。在碰摩動(dòng)態(tài)接觸設(shè)置中,旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣采取 “對(duì)稱(chēng)罰函數(shù)法[22]” 設(shè)置動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系,從而計(jì)算出碰摩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
文中在計(jì)算旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣碰摩問(wèn)題時(shí),既考慮了由于葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的低頻離心力,又考慮了由于侵入接觸引起的葉片-機(jī)匣之間高頻的碰撞力和摩擦力。因此,在求解過(guò)程中,通過(guò)隱式與顯式算法相結(jié)合的方式,計(jì)算旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
圖2 葉片-機(jī)匣碰摩有限元模型Fig.2 Blade-casing rub-impact finite element model
1)首先通過(guò)隱式靜力分析,求得整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)下的應(yīng)力響應(yīng)和剛度增強(qiáng)效應(yīng)。
2)然后將以上隱式靜力求解得到的結(jié)果作為顯式碰摩求解的初始條件,去修正旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)剛度矩陣,以及判斷是否碰摩。
3)最后,通過(guò)定義的接觸摩擦屬性,采用顯式中心差分法進(jìn)行葉片-機(jī)匣碰摩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的求解。
由于碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波在葉身的傳導(dǎo),從碰摩瞬態(tài)響應(yīng)云圖變化可以看出,在碰摩開(kāi)始階段,葉片最大應(yīng)力位于碰摩葉尖,葉尖發(fā)生彎曲變形和局部掉角等損傷,然后隨著碰摩應(yīng)力波的傳導(dǎo),到碰摩結(jié)束階段,最大應(yīng)力響應(yīng)逐漸傳到葉根。
由于碰摩作用于葉尖部位,因此,碰撞力和摩擦力綜合作用下,葉尖部位變形較大,更容易出現(xiàn)局部損傷現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)葉片碰摩前后對(duì)比如圖3 所示,可以看出,葉片葉尖部位出現(xiàn)了局部掉角現(xiàn)象,而葉根部位更容易發(fā)生高周疲勞等現(xiàn)象。
圖3 碰摩前后葉片損傷情況對(duì)比Fig.3 Comparison of blad[e damage before and after rub-impact: a) before rub-impact; b) after rub-impact
單個(gè)葉片與機(jī)匣碰撞的時(shí)間歷程曲線如圖4 所示,可以看出,首次碰摩的碰摩力最大,隨后逐漸遞減。由于機(jī)匣發(fā)生彈性變形,后續(xù)碰摩時(shí)間間隔逐漸縮短。整周葉片依次與機(jī)匣碰摩的碰摩力時(shí)間歷程曲線如圖5 所示,可以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)碰摩葉片的碰摩力最大,隨后各個(gè)葉片的首次碰摩力逐漸減小。這從機(jī)匣的加速度響應(yīng)曲線也能得到對(duì)應(yīng)的結(jié)論,機(jī)匣加速度響應(yīng)也是在與第一個(gè)碰撞葉片接觸時(shí)最大,隨后逐漸遞減。這是由于葉片與柔性機(jī)匣在碰摩過(guò)程中發(fā)生了變形,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能,根據(jù)能量守恒定律,旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)能逐漸變小,因此碰撞接觸力也隨之變小。又由于轉(zhuǎn)子不平衡量隨著碰摩次數(shù)的增大而逐漸增大,因此從碰摩力動(dòng)態(tài)響應(yīng)峰值曲線圖可以看出,碰摩過(guò)程剛開(kāi)始為單個(gè)葉片碰摩和機(jī)匣變形后,耦合效應(yīng)產(chǎn)生,變?yōu)槎鄠€(gè)葉片同時(shí)碰摩機(jī)匣,碰摩力相互耦合影響,機(jī)匣吸能更多,碰摩響應(yīng)趨勢(shì)逐漸趨于平緩。
圖4 單個(gè)葉片-機(jī)匣碰摩力曲線Fig.4 Single blade-casing rub-impact force curve
圖5 葉片依次與機(jī)匣碰摩力曲線Fig.5 Each blade rub-impact force with the casing curve
轉(zhuǎn)子葉片在碰摩過(guò)程中的響應(yīng)是碰摩沖擊動(dòng)力學(xué)研究的焦點(diǎn),碰摩葉片典型位置的應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖6 所示。可以看出,由于高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用,葉片在碰摩初始階段已有應(yīng)力存在,且最大應(yīng)力位于葉根處。在碰摩發(fā)生的過(guò)程中,最大應(yīng)力位置逐漸沿著葉尖-葉中-葉根方向傳導(dǎo)。葉尖由于變形最大,吸能最多,碰摩力衰減最嚴(yán)重,而葉根處的平均應(yīng)力最大。因此,葉根位置是轉(zhuǎn)靜子碰摩故障中最容易產(chǎn)生疲勞斷裂的部位,這與多次碰摩故障的現(xiàn)象也比較吻合。
圖6 碰摩葉片典型位置的碰摩力響應(yīng)曲線Fig.6 Rub-impact force response curve at typical locations of the blade
對(duì)葉根單元的等效應(yīng)力響應(yīng)時(shí)域曲線進(jìn)行快速傅里葉變化,得到碰摩葉片頻域響應(yīng)曲線如圖7 所示。可以看出,旋轉(zhuǎn)葉片在低頻碰摩力響應(yīng)最大,且振動(dòng)衰減主要以低階固有頻率為主,但由于碰摩效應(yīng),會(huì)有高頻諧波響應(yīng)成分。
圖7 碰摩葉片葉根單元頻域響應(yīng)曲線Fig.7 Frequency response curve of the rub-impact blade root unit
為了對(duì)碰摩故障機(jī)理有深刻的認(rèn)識(shí),以及與仿真分析結(jié)果形成對(duì)比,筆者團(tuán)隊(duì)建立了轉(zhuǎn)子-盤(pán)片-機(jī)匣碰摩試驗(yàn)器。該試驗(yàn)器主要由轉(zhuǎn)子模擬裝置、靜子進(jìn)給裝置、控制與采集系統(tǒng)和輔助結(jié)構(gòu)組成,如圖8 所示。通過(guò)調(diào)整機(jī)匣進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)模擬轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙,實(shí)現(xiàn)不同的碰摩侵入量的控制;通過(guò)三向力傳感器測(cè)試法向碰撞力和切向摩擦力,實(shí)現(xiàn)葉片在不同侵入量下碰摩力的測(cè)試;通過(guò)電渦流位移傳感器測(cè)試軸心位移;通過(guò)無(wú)線遙測(cè)應(yīng)變儀測(cè)試葉片動(dòng)應(yīng)變;通過(guò)加速度傳感器測(cè)試機(jī)匣碰摩加速度。
圖8 轉(zhuǎn)子-盤(pán)片-機(jī)匣碰摩試驗(yàn)器Fig.8 Rotor-disc-casing rub-impact test device
當(dāng)轉(zhuǎn)速為3000 r/min,初始徑向間隙為0.03 mm時(shí),轉(zhuǎn)軸同一位置處的軸心軌跡(水平方向和垂向)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖9 所示,發(fā)現(xiàn)兩者吻合性較好。試驗(yàn)和仿真均發(fā)現(xiàn),由于碰摩激發(fā)了高倍頻成分,軸心軌跡在水平方向倍頻上均出現(xiàn)了峰值。試驗(yàn)曲線較仿真曲線在水平方向有所右上移,這是因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)在未發(fā)生碰摩時(shí),由于地基等因素,自身臺(tái)面存在干擾,在高速旋轉(zhuǎn)未碰摩時(shí),已有微小的位移存在,與碰摩響應(yīng)耦合效應(yīng)疊加致使軸心軌跡較仿真偏大。
圖9 試驗(yàn)與仿真軸心軌跡對(duì)比Fig.9 Comparison of the axis trajectory of experiment and simulation
轉(zhuǎn)速為3000 r/min 時(shí),葉片-機(jī)匣不同侵入量初值下試驗(yàn)與仿真的碰摩力響應(yīng)對(duì)比如圖10 所示。從曲線可以看出,對(duì)于碰摩力與侵入量的變化趨勢(shì),仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果大體一致,即隨著侵入量的增大,碰摩力逐漸增大,近似成線性關(guān)系。然而試驗(yàn)得到的碰摩力較仿真不大規(guī)則,這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中,侵入量進(jìn)給精度控制存在一定誤差所致。
圖10 不同侵入量的碰摩力試驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.10 Comparison of rub-impact force with different intrusion amounts
從以上試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比可以看出,兩者吻合性較好,證明了該仿真模型與仿真方法的可靠性。因此下面在有效的仿真模型和仿真方法的基礎(chǔ)上,對(duì)影響碰摩響應(yīng)的因素作進(jìn)一步分析。
由于碰摩響應(yīng)分析與試驗(yàn)設(shè)置的主要參數(shù)為葉片與機(jī)匣的初始間隙、葉片與機(jī)匣的材料剛度比以及碰摩葉片的運(yùn)動(dòng)速度,因此就這些碰摩響應(yīng)主要參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。
在葉片旋轉(zhuǎn)速度為6000 r/min 的工況下,設(shè)置不同的葉片-機(jī)匣初始間隙條件,使其在碰摩發(fā)生時(shí)具有不同的侵入量。
圖11 不同間隙下軸心軌跡Fig.11 Axis tracks of different gaps
葉片-機(jī)匣在不同侵入量工況下,轉(zhuǎn)軸同一位置的軸心軌跡時(shí)間歷程曲線如圖11 所示。可以看出,侵入量越大,軸心軌跡在水平和垂直方向的值越小,反而會(huì)抑制轉(zhuǎn)軸在水平方向的移動(dòng)。不同侵入量下碰摩力時(shí)間歷程曲線如圖12 所示。從曲線可以看出,碰摩力在首次碰摩時(shí),隨著侵入量的增大,呈非線性增大趨勢(shì),碰摩力差距最大。隨后碰摩力逐漸衰減,且侵入量越小,碰摩力衰減得越慢,碰摩時(shí)間越長(zhǎng)。
圖12 不同間隙下碰摩力時(shí)間歷程曲線Fig.12 Rub-impact force of different gaps
當(dāng)轉(zhuǎn)速為6000 r/min,初始徑向間隙為0.03 mm時(shí),鈦合金葉片分別與具有不同剛度的鋁合金機(jī)匣和鋼材料機(jī)匣碰撞,其碰摩力時(shí)間歷程曲線如圖13 所示。從該曲線可以看出,葉片與剛度較大的鋼制機(jī)匣碰摩時(shí),碰摩力更大一些,吸能較少。第二次碰摩時(shí),碰摩力依然較大,且碰摩間隔時(shí)間較短。相比之下,鋁制機(jī)匣由于其剛度較小,在碰摩過(guò)程中由于變形吸收了較多能量,碰摩力衰減較為明顯,但碰摩力衰減較慢。到碰摩后期,碰摩耦合效應(yīng)更明顯。因此,機(jī)匣并非吸能越多越好,剛度較小的機(jī)匣會(huì)激起更多的高頻響應(yīng)成分,使振動(dòng)加劇,這也解釋了RB211 發(fā)動(dòng)機(jī)在改型后機(jī)匣采用剛?cè)狁詈戏謪^(qū)的原因[23]。
圖13 不同材料機(jī)匣的碰摩力Fig.13 Rub-impact force of different casing materials
另外通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),葉片與不同剛度材料機(jī)匣碰撞時(shí),葉片應(yīng)力響應(yīng)差距較小,機(jī)匣應(yīng)力響應(yīng)差距較大。這是因?yàn)殁伜辖鹑~片剛度較大,在碰摩時(shí)變形較小,吸能較少。反之,機(jī)匣柔性較大,碰摩時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為變形能較多一些,因此振動(dòng)響應(yīng)差距較大。對(duì)于與不同剛度材料機(jī)匣碰撞的葉片碰撞位置的等效應(yīng)力時(shí)間歷程曲線進(jìn)行FFT 變換得到其在頻域內(nèi)等效應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖14 所示??梢钥吹?,葉片的一階動(dòng)頻隨著碰摩機(jī)匣的剛度增大而增大,但激起的高頻響應(yīng)成分隨著剛度的增大而減小。
圖14 與不同剛度比繼機(jī)匣碰摩的葉片同一位置處頻域等效應(yīng)力Fig.14 Frequency equivalent stress of the different stiffness ratio at the same blade location of casing rub-impact
在初始間隙為0.03 mm 的工況下,對(duì)碰摩葉片不同運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速下的碰摩響應(yīng)特征進(jìn)行分析。不同轉(zhuǎn)速下葉片-機(jī)匣碰摩力時(shí)間歷程曲線如圖15 所示,可以看出,轉(zhuǎn)速越大,碰摩力越大,且碰摩越頻繁。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)靜子相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速越大,轉(zhuǎn)子在碰撞時(shí)所受不平衡力越大,導(dǎo)致碰撞耦合效應(yīng)越明顯,碰摩次數(shù)也越多。因此,旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速越高,碰摩故障發(fā)生的機(jī)率越高,且碰摩轉(zhuǎn)速越大。在離心力作用下,葉片伸長(zhǎng)量越多,侵入量越大,越易發(fā)生碰摩,碰摩應(yīng)力響應(yīng)也越大。
圖15 不同轉(zhuǎn)速下葉片-機(jī)匣碰摩力曲線Fig.15 Blade-casing rub-impact force at different speeds
由于在高速旋轉(zhuǎn)下,相比轉(zhuǎn)子不平衡力,碰摩力引起的轉(zhuǎn)子軸心位移較小,因此軸心軌跡在水平方向的偏移較為顯著,而在垂直方向幾乎沒(méi)有差別,這從不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡對(duì)比圖中可以得出相同的結(jié)論。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的軸心位移時(shí)間歷程曲線進(jìn)行FFT 變換,得到在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡如圖16 所示??梢钥闯觯诘皖l區(qū)域,轉(zhuǎn)速越低,轉(zhuǎn)軸位移響應(yīng)越明顯;在高頻區(qū)域,轉(zhuǎn)速越高,轉(zhuǎn)軸位移響應(yīng)越大。因此,可以得出,轉(zhuǎn)速越高,越會(huì)激起轉(zhuǎn)軸的高倍頻響應(yīng)。
圖16 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸軸心軌跡頻率響應(yīng)曲線Fig.16 Frequency response curve of the axis trajectory at different speeds
文中基于沖擊動(dòng)力學(xué)與非線性接觸動(dòng)力學(xué)原理,建立了葉片-柔性機(jī)匣碰摩有限元模型,利用隱顯式相結(jié)合的積分求解方式,分析了葉片-機(jī)匣碰摩力學(xué)行為和響應(yīng)特征,并用物理試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了其仿真分析模型和仿真分析方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)碰摩響應(yīng)分析中的幾個(gè)主要參數(shù)的影響進(jìn)行了較為深入的研究,得到如下結(jié)論。
1)葉片-機(jī)匣的氣密性設(shè)計(jì)要綜合考慮旋轉(zhuǎn)工況,轉(zhuǎn)靜子材料等多種因素。
2)高速旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣碰摩時(shí),葉尖部位最容易發(fā)生直接局部損傷破壞,但葉根部位更容易發(fā)生高周疲勞斷裂損傷,危害更嚴(yán)重。
3)旋轉(zhuǎn)速度越大,軸心軌跡水平方向振動(dòng)抑制越明顯,但高倍頻上的位移響應(yīng)峰值越突出。
4)剛度較小的機(jī)匣吸能效果雖好,但會(huì)激起高頻響應(yīng)成分,使機(jī)匣振動(dòng)加劇,更容易發(fā)生破壞。
文中利用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了葉片-機(jī)匣碰摩過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和碰摩機(jī)理,對(duì)于有效解釋工程中的葉片-機(jī)匣碰摩故障現(xiàn)象和故障預(yù)測(cè)均有一定的參考價(jià)值。在仿真分析中未考慮到摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)和磨損造成的間隙變化等因素,與真實(shí)物理工況還有一定差距,后續(xù)進(jìn)一步完善這些影響因素。