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基于LMS Test.lab的航空发动机整机振动测量与分析
艾延廷 王志 沙云东
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引言
航空发动机的可靠性直接影响到发动机的利用率、经济效益以及飞机的飞行安全，已成为世界各航空公司以及研究所所关心的主要问题。航空发动机是一个高速旋转的机械，由于其工作在高温、高压、高应力及交变载荷的恶劣条件下，故障率通常较高。航空发动机故障检测和诊断是保证发动机安全工作，延长发动机使用寿命的一个重要的技术措施，对于增强飞机适航性、降低飞机维修费用和减少飞行事故都具有十分重要的意义。
整机振动故障一直是航空发动机生产和使用中的主要问题之一。特别是随着科学技术的发展，航空发动机的推力、转速、动强度等在不断的提高，其工作过程及结构形式也日趋复杂，导致发动机零部件的振动载荷不断增加，振动破坏的事例显著增多。测量和分析航空发动机整机振动特性，是发动机振动故障检测和诊断的重要内容。
Test.lab以最先进的、目标导向的软件技术为基础，它提供了振动、噪声工程试验最全面的解决方案，涵盖了结构试验、旋转机械、声学试验分析，报告生成和数据共享等应用。可并行采集频谱，阶次谱，倍频程谱和时域数据以及同步采样阶次分析，同步的信号时间历程通程采集，三分之一倍频程分析，可跟踪发动机转速进行特征分析等功能。因此，本文选用现今最先进的旋转机械试验系统LMS Test.lab进行整机振动测量与分析。
1 航空发动机整机振动故障诊断
安装在飞机或试验台架上的航空发动机，是一个无限多自由度的振动系统，所谓发动机的整机振动，就是这一系统在各种激振力作用下的响应。发动机故障会产生独特的发动机整机振动，故障不同，其特征也不同。因此，可借助整机振动信号的分析与处理，诊断出发动机的故障（种类、严重程度及发生部位），这种技术称为发动机的振动故障诊断。
1.1 航空发动机振动检测和信号分析
航空发动机振动检测和信号分析技术主要用于识别发动机结构系统，特别是转子系统的机械状态和故障。
航空发动机整机振动测试的基本内容有：
（1）发动机系统振动基本参数的测量。测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部结构上的振动位移、速度、加速度总量；在轴承的适当位置测量轴承载荷及转子振动加速度、速度、位移值，以及频率、相位、外传力等参数。
（2）发动机系统振动特征参数的测试。测量转子—支承系统以及机匣等其它产生高频振动和应力的构件的固有频率、转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数和物理参数。
FFT是典型的谱分析方法，其幅值和相位充分反映了信号的各个频率成分，适宜分析航空发动机等旋转机械的振动信号。
1.2 航空发动机振动故障诊断
航空发动机整机振动故障诊断，就是在发动机运行过程中监视、识别和预测其运行状态变化情况，根据振动信号的特征值，在事故发生之前，及时做出诊断，查明故障发生的原因和可能发生的部位，以便采取相应决策，及时排除故障，消除隐患，提高发动机运行的可靠性及安全性。故障诊断的关键在于找到发动机振动状态参数与振动故障特征参数之间的对应关系。比较典型的航空发动机故障有：1.密封碰磨、2.轴承间对中性不好、3.支承刚度在垂直与水平面内不等、4.次谐波共振、5.叶片碰磨、6.转子或静子松动、7.轴承内外环损伤、8.工作叶片裂纹、9.失衡、振荡燃烧、旋转失速、临界转速、10.失稳、11.结构共振。
2 整机振动测量与分析实例
2.1 测点布置与测量系统
选择某型航空发动机的5个典型截面的垂直和水平方向作为振动测点，如图1所示。5个典型截面为：

（图片）

图1 某型航空发动机整机振动测量点布置

1-1截面 穿过风扇前支点（①前水，②前垂）
2-2截面 穿过中介机匣（③中水，④中垂）
3-3截面穿过低压涡轮支点（⑤后水⑥后垂）
4-4截面 外置附件机匣 （⑦外水，⑧外垂）
5-5截面 减速器(只测水平方向)（⑨上水）
发动机整机振动测量系统如图2所示。

（图片）

图2 某型航空发动机整机振动测试系统框图

2.2 试验工况
（1） 起动 （run up转速 0～70％）
（2） 爬台阶及下台阶 （每个台阶上为恒转速 转速 70％～100％，100％～70％）
（3） 加力 （恒转速 100％）
（4） 慢加速 （run up转速70％～100％）
（5） 慢减速（run down转速100％～70％）
（6） 发动机停机 （run down转速70％～0）
（7） 急加速 （run up转速70％～100％）
（8）急减速 （run down转速100％～70％）
2.3 测量结果及分析
本文对各种工况下发动机的整机振动信号进行了分析，得到了发动机临界转速、振动频谱与转速的关系等特征。在发动机加、减速的过程中，多数测点的振动都表现出了与转速n2有关的明显的阶次特征，如发动机起动过程中，前水测点的振动（如图3所示）。但是在某些工况下，测点的振动并没有表现出与转速n2明显有关的阶次特征，如在发动机慢加速过程中前水测点的振动（如图4所示）。

（图片）

图3 起动过程前水测点振动加速度

（图片）

图4 慢加速过程前水测点振动加速度

3 结论
(1)经分析，可以准确的确定航空发动机低压转子和高压转子的临界转速。
(2)某型航空发动机在起动和停车的过程中存在两个临界转速，这两个临界转速大概为一阶临界转速在N2=3591rpm附近，二阶临界转速在N2=5985-6583rpm附近。
(3)某型航空发动机某些部件的固有频率可能在f1 =209-319Hz附近，f2 =837-947Hz附近，f3=2743Hz附近。根据分析，可能是发动机的局部共振，如机匣共振，整流支板共振的频率等。
(4)不同状态下发动机表现的振动现象虽然不同，但明显存在共性，即各状态下发动机振动较大的振动频率均以转子的一倍振频为主要成分，且高压转子一倍振频的能量要远远大于低压转子，从而得出发动机振动的主要振源是高压转子。所以改善发动机高压转子的本身刚性，提高装配工艺水平以及各部件的完美匹配是减小发动机振动大的主要路径和研究方向。 2/26/2009

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