某型测振传感器安装谐振分析及问题排除

中国航发湖南动力机械研究所 张利民 陈大力 熊 帆

由于航空发动机的结构复杂，且管路及附件繁多，在其振动测量中，测振传感器安装后通常会受到安装位置、介质等因素的影响，其安装谐振频率常会远小于其自身的固有频率，从而大大影响传感器的频率响应范围。当传感器安装后测振系统的谐振频率落在发动机工作转速频率内时，就极易引起局部共振[1-2]，影响测量结果，甚至影响正常试验。

某型压电加速度传感器在发动机上试验，测量结果比发动机真实振动大2-3倍，经试验验证及对比分析证实了该振动问题是由测振系统谐振频率偏低，出现局部共振引起的。本文对解决该振动偏大问题进行机理分析、问题排查与总结。

1.振动测试系统简介

航空发动机振动测试系统主要由压电式加速度传感器、测振座、电荷放大器、振动信号分析仪组成；振动测试相关的机械系统由压电式加速度传感器、测振座、航空发动机及台架组成。见图1。

图1 测振系统结构简图

2.谐振频率机理分析

为了有助于分析说明，建立简化的单自由度力学模型，它由一个质量块、一个弹簧和一个阻尼器组成[3]，见图2。

图2 传感器质量块受迫振动受力模型

质量块在外力f(t)作用下的运动方程为：

其中m为质量块重量，k为弹簧刚度，c为粘性阻尼系数，x为振动位移。

其中质量块加速度a与位移的关系为：

其中机械系统谐振频率f0的计算公式为：

由简化的受力系统力学模型可知，机械系统谐振频率与质量块重量及弹簧刚度有关，且其大小与质量块重量平方根大小成反比；与弹簧刚度平方根大小成正比。

航空发动机的结构复杂，振动测试系统中压电加速度传感器的受力系统模型非常复杂，是一个多自由度系统，理论分析计算机械系统谐振频率的方法非常困难，但影响谐振频率大小的因素与单自由度模型是一致的，工程应用中通常采用锤击法快速便捷获取测振系统谐振频率，就是用一个合适锤头材料的小锤垂直敲击传感器安装接触面附近，得到传感器安装后的冲击响应特性，频谱图上具有峰值响应的频率，即为谐振频率[4]。

3.振动问题分析及排查

3.1 振动现象

在某航空发动机振动测试中，在发动机大工况下转子基频振动幅值比真实值大（2-3）倍。某状态下振动频谱分析见图3（真实值为52m/s2左右）。

图3 传感器改善前试验情况

3.2 问题分析及排查

经试验对比分析及仔细排查，验证了问题原因就是机械系统谐振频率落在发动机工作频率范围内，当发动机主转子工作频率经过或处在谐振频率时，由于旋转不平衡力的激振作用，产生局部共振，导致转子振动幅值偏大。

图4 改善前机械系统冲击响应特性

利用冲击法测得机械系统的冲击响应特性见图4。图中可知频率在750.73Hz，891.11Hz，970.46Hz出现峰值，且750.73Hz，891.11Hz刚好落在发动机工作频率范围。

图5 改善后机械系统冲击响应特性

实际应用中，改变振动测试相关的机械系统中任一部分都可以改变谐振频率，本方案采取降低压电加速度传感器的重量以提高安装谐振频率从而避开发动机工作频率范围，传感器重量变更前为103克，变更后为62克。利用锤击法测得降低重量后的机械系统冲击响应特性见图5。图中可知频率在966.8Hz，1270.07Hz，出现峰值，有效的避开了发动机的工作频率范围。

4.试验验证

改善后的传感器再进行振动测量试验时，在发动机大工况下转子基频振动输出无偏大现象，局部共振现象得到有效排除。某状态下振动频谱分析见图6（真实值为52m/s2左右）。

图6 问题排除后试验情况

5.结论

航空发动机的结构复杂，管路及附件繁多，不同的传感器、不同的测量位置、不同的测振坐...其机械系统谐振频率均存在差异，振动测量试验中局部共振问题时常出现。因此，实际振动测试中，试验前可以通过锤击法获取机械系统谐振频率，根据实际情况，选取恰当有效的排除措施，使机械系统谐振频率避开发动机工作频段，消除局部共振的发生，以确保试验测量时提供准确可靠的试验数据。

[1]姜广兴,王娟,姜睿.航空发动机风扇机匣振动故障分析[J].航空发动机,2011年10月:38-44.

[2]陈明,朱春花,涂兴文.某型机载武器在挂机飞行环境局部共振问题的解决[J].装备环境工程,2009年10月:94-96.

[3]黄长艺,严普强.机械工程测试技术基础[M].机械工业出版社,2001.

[4]KatsuhikoOgata.现代控制工程[M].卢伯英,于海勋(译).北京:电子工业出版社,2003.466-467.