航空发动机高频振动测试与信号处理方法

柳冬升

摘要：自第三次工业革命以来，我国的科技水平提升，2005年至今航天卫星火箭的陆续发射，象征着我国目前也进入了航天事业发展的大国，能够自行的发射卫星，与发达国家又接近了一步。目前阶段，国家也逐渐对火箭航空所含的重要内容重视起来，设立专门研究该方向内容的大学，培养专业的人才。高等院校开设的航空专业的课程针对发动机附件机匣高频的振动测试，试验的过程中可选用具有高可靠性的压电式振动传感器配接电荷放大器进行测量，同时要给出高频振动测试系统的校准方法及其最初的数据。但是为了保证实验的测量精度、各个环节的通道传感器以及数据的采集通道在重复的测试过程中不能交叉使用，因为每个环节都是基本独立的，一般的传感器应当采用螺栓刚性连接。

关键词：航空发动机；高频振动信号测试；信号处理方法

1.引言

目前在国内，关于航天发动机的研究在低涵道比大推力涡扇发动机整机的振动测试以及信号处理主要在10-2000HZ的中低频率的范围内的研究，但是对于高频振动测试试验中高频振动信号的特点、破坏形式、测试方法以及关于信号的处理方式的研究比较少。随着各国航天事业的飞速发展，我国也应当跟随发达国家的脚步，就现有的技术而言已经无法满足处理航天技术出现故障的需求，关于振动高频段的研究和应用也逐渐地被各界人士所重视，不能出现某方面技术的空缺。本文通过对高校航天发动机试验课程的实践实验过程，总结出了发动机的机匣高频振动的测试方法以及信号处理的一些方式方法，记录实验数据并作出分析以及利用实例进行应用的展示，通过的这些数据的处理和分析，给出一些信号的处理方法和原理。

2.航空发动机的高频振动信号测试

2.1航空发动机的高频振动源

目前我国现有的航空技术研究可知，航空发动机的高频振动源主要包含3个方面：①滚动轴承内的振动；②外圈高频振动的故障引起的振动；③滚动体自传的频率引起的振动。一般轴承出现故障时处理信号的方法比较成熟，因为这些信号都是出于中低频段，主要有包络解调以及统计相关的信号，可以对故障发生的演化过程进行系统的跟踪。然而对外圈高频段的识别是故障诊断的辅助手段，通过检测发动机内叶片的通过频率成分以及它的幅值的变化，就可以判定出发动机中的叶片的叶尖调块、撕裂和卷曲等问题。因为在发动机高频振动过程中，叶片为关键件，并且每级的叶片都是经过特点的测试试验后才能投入安装使用，具有很大的设计空间，并且设计要求都是十分严格的，这就致使发动机出现故障的频率较低。再有就是滚动体自传中發动机及其附件系统中齿轮啮合和副啮合的频率成分，这个附件系统中齿轮啮合的传动链比较复杂并且具备功率的复查功能，因为齿轮啮合与副齿轮啮合产生的共振造成齿轮断裂的故障时产生的振动。

2.2发动机装机条件下的高频振动测试过程中的误差控制

在发动机装机完成之后，需要对整个振动测试系统进行整体的校验，信息的传递和接收需要传感器的作用，每个传感器对应的电缆及其数据的采集和统计进行校验时应当与最初原始的测试时的数据保持一致，在经过多次的开机测试后的数据也是保持一致的。在高频振动下，振动传感器的连接方式是采用螺栓连接和云母图的方式，这样连接的优势是可以将振动传感器本身与接地的一些测试元件进行隔离，可以有效的排除地面有效回路出现的问题。为了提高安装的强度，我们可以在振动传感器和接地元件的底面涂一层硅脂，改善在高频振动时两者之间的耦合，然后用扳手使其达到规定的安装扭矩。通过校准系统得到的每个传感器所对应的通道的频响特性和线性特性，根据均方根的理论在标准的正弦信号下的不同频率点，然后记录数据采集系统中所显示的电压值，得到的在每个频率下的响应电压和频响曲线，每个振幅值下的线性电压和线性曲线之间的关系如下表所示：

3.发动机高频振动信号的处理方法

3.1振动幅值的表示方法

在航天发动机附件机匣的高频振动信号一般都是属于高频稳态的随机信号，一般都是用加速度表示，加速度是牛顿第一定律延伸出来的数值，可以有效的表示出航天发动机在高频振动过程中的振动力的水平，现在设a（t）表示振动过程中加速度的时间历程，然而振动加速度的有效值amm表示为：

在这个公式中，是对加速度的一种求导，需要用计算机对其进行离散化的处理，振动加速度的有效值是正弦信号各个波段分量振动加速度的均方根值，不会受到其他波段因为相位不同而产生相位差的影响，因此，在各个波段分量的变化上都会在振动加速度的有效值上最终反映出来的。

3.2发动机附件系统的啮合频率细化

由上文可知，发动机的机匣中含有很多的齿轮副，因为齿轮副种类各不相同，在运转的过程中会产生各种各样不同频率的成分，有的时候会出现明显的边频带的形状，但是为了区分这些不同种类的频率成分，可以使用细化的频率谱，将这些不同种类的频率成分重新采集取样。分别细化成不同的频率段，对于频率特征的捕捉具有重大的意义。在整个采样的频率中，需要对这些不同的频率成分画一个范围，保证抽样过程中的随机性，同时也保证了数据的严谨性。采样不只是进行一次，在进行一次数据的采样后，对下次进行采样时应当对数据进行变换，对于这样的变换只要频率和采样的数据值是一定的，那么频率的变化率也就会随之而被确定下来。如果要提高这个分辨率就需要增大采样数据的个数或者减低频率成分等方法，但是在降低频率成分的过程中会出现丢失高频数据的问题，不宜采取这样的方法。

4.结束语

通过多次的工程实验的测试，发动机附件系统中的机匣在高频振动信号情况下可以采用压电式的传感器配置前电荷放大器进行控制，尽可能减少测试环节的中间环节，节约时间，但是为保证测量精度的准确性，机匣与接地元件应当采用螺栓刚性连接。

参考文献

[1]葛向东. 航空发动机高频振动测试与信号处理方法[A]. 航空工业测控技术发展中心、中国航空学会测试技术专业委员会、《测控技术》杂志社.面向航空试验测试技术——2013年航空试验测试技术峰会暨学术交流会论文集[C].

（作者单位：安徽新华学院）