航空發動機高頻振動測試與信號處理方法

柳冬升

摘要：自第三次工業革命以來，我國的科技水平提升，2005年至今航天衛星火箭的陸續發射，象征著我國目前也進入了航天事業發展的大國，能夠自行的發射衛星，與發達國家又接近了一步。目前階段，國家也逐漸對火箭航空所含的重要內容重視起來，設立專門研究該方向內容的大學，培養專業的人才。高等院校開設的航空專業的課程針對發動機附件機匣高頻的振動測試，試驗的過程中可選用具有高可靠性的壓電式振動傳感器配接電荷放大器進行測量，同時要給出高頻振動測試系統的校準方法及其最初的數據。但是為了保證實驗的測量精度、各個環節的通道傳感器以及數據的采集通道在重復的測試過程中不能交叉使用，因為每個環節都是基本獨立的，一般的傳感器應當采用螺栓剛性連接。

關鍵詞：航空發動機；高頻振動信號測試；信號處理方法

1.引言

目前在國內，關于航天發動機的研究在低涵道比大推力渦扇發動機整機的振動測試以及信號處理主要在10-2000HZ的中低頻率的范圍內的研究，但是對于高頻振動測試試驗中高頻振動信號的特點、破壞形式、測試方法以及關于信號的處理方式的研究比較少。隨著各國航天事業的飛速發展，我國也應當跟隨發達國家的腳步，就現有的技術而言已經無法滿足處理航天技術出現故障的需求，關于振動高頻段的研究和應用也逐漸地被各界人士所重視，不能出現某方面技術的空缺。本文通過對高校航天發動機試驗課程的實踐實驗過程，總結出了發動機的機匣高頻振動的測試方法以及信號處理的一些方式方法，記錄實驗數據并作出分析以及利用實例進行應用的展示，通過的這些數據的處理和分析，給出一些信號的處理方法和原理。

2.航空發動機的高頻振動信號測試

2.1航空發動機的高頻振動源

目前我國現有的航空技術研究可知，航空發動機的高頻振動源主要包含3個方面：①滾動軸承內的振動；②外圈高頻振動的故障引起的振動；③滾動體自傳的頻率引起的振動。一般軸承出現故障時處理信號的方法比較成熟，因為這些信號都是出于中低頻段，主要有包絡解調以及統計相關的信號，可以對故障發生的演化過程進行系統的跟蹤。然而對外圈高頻段的識別是故障診斷的輔助手段，通過檢測發動機內葉片的通過頻率成分以及它的幅值的變化，就可以判定出發動機中的葉片的葉尖調塊、撕裂和卷曲等問題。因為在發動機高頻振動過程中，葉片為關鍵件，并且每級的葉片都是經過特點的測試試驗后才能投入安裝使用，具有很大的設計空間，并且設計要求都是十分嚴格的，這就致使發動機出現故障的頻率較低。再有就是滾動體自傳中發動機及其附件系統中齒輪嚙合和副嚙合的頻率成分，這個附件系統中齒輪嚙合的傳動鏈比較復雜并且具備功率的復查功能，因為齒輪嚙合與副齒輪嚙合產生的共振造成齒輪斷裂的故障時產生的振動。

2.2發動機裝機條件下的高頻振動測試過程中的誤差控制

在發動機裝機完成之后，需要對整個振動測試系統進行整體的校驗，信息的傳遞和接收需要傳感器的作用，每個傳感器對應的電纜及其數據的采集和統計進行校驗時應當與最初原始的測試時的數據保持一致，在經過多次的開機測試后的數據也是保持一致的。在高頻振動下，振動傳感器的連接方式是采用螺栓連接和云母圖的方式，這樣連接的優勢是可以將振動傳感器本身與接地的一些測試元件進行隔離，可以有效的排除地面有效回路出現的問題。為了提高安裝的強度，我們可以在振動傳感器和接地元件的底面涂一層硅脂，改善在高頻振動時兩者之間的耦合，然后用扳手使其達到規定的安裝扭矩。通過校準系統得到的每個傳感器所對應的通道的頻響特性和線性特性，根據均方根的理論在標準的正弦信號下的不同頻率點，然后記錄數據采集系統中所顯示的電壓值，得到的在每個頻率下的響應電壓和頻響曲線，每個振幅值下的線性電壓和線性曲線之間的關系如下表所示：

3.發動機高頻振動信號的處理方法

3.1振動幅值的表示方法

在航天發動機附件機匣的高頻振動信號一般都是屬于高頻穩態的隨機信號，一般都是用加速度表示，加速度是牛頓第一定律延伸出來的數值，可以有效的表示出航天發動機在高頻振動過程中的振動力的水平，現在設a（t）表示振動過程中加速度的時間歷程，然而振動加速度的有效值amm表示為：

在這個公式中，是對加速度的一種求導，需要用計算機對其進行離散化的處理，振動加速度的有效值是正弦信號各個波段分量振動加速度的均方根值，不會受到其他波段因為相位不同而產生相位差的影響，因此，在各個波段分量的變化上都會在振動加速度的有效值上最終反映出來的。

3.2發動機附件系統的嚙合頻率細化

由上文可知，發動機的機匣中含有很多的齒輪副，因為齒輪副種類各不相同，在運轉的過程中會產生各種各樣不同頻率的成分，有的時候會出現明顯的邊頻帶的形狀，但是為了區分這些不同種類的頻率成分，可以使用細化的頻率譜，將這些不同種類的頻率成分重新采集取樣。分別細化成不同的頻率段，對于頻率特征的捕捉具有重大的意義。在整個采樣的頻率中，需要對這些不同的頻率成分畫一個范圍，保證抽樣過程中的隨機性，同時也保證了數據的嚴謹性。采樣不只是進行一次，在進行一次數據的采樣后，對下次進行采樣時應當對數據進行變換，對于這樣的變換只要頻率和采樣的數據值是一定的，那么頻率的變化率也就會隨之而被確定下來。如果要提高這個分辨率就需要增大采樣數據的個數或者減低頻率成分等方法，但是在降低頻率成分的過程中會出現丟失高頻數據的問題，不宜采取這樣的方法。

4.結束語

通過多次的工程實驗的測試，發動機附件系統中的機匣在高頻振動信號情況下可以采用壓電式的傳感器配置前電荷放大器進行控制，盡可能減少測試環節的中間環節，節約時間，但是為保證測量精度的準確性，機匣與接地元件應當采用螺栓剛性連接。

參考文獻

[1]葛向東. 航空發動機高頻振動測試與信號處理方法[A]. 航空工業測控技術發展中心、中國航空學會測試技術專業委員會、《測控技術》雜志社.面向航空試驗測試技術——2013年航空試驗測試技術峰會暨學術交流會論文集[C].

（作者單位：安徽新華學院）