含支承松动故障的弹用涡扇发动机整机振动建模与机匣响应特征

针对某型弹用涡扇发动机结构特点,建立了一种转子-支承-机匣整机模型,对转子与机匣采用有限元梁模型,支承采用集总质量模型,引入支承松动故障模型,利用数值积分方法求解耦合系统的响应.基于机匣加速度信号,研究了对称刚度以及不对称刚度模型下松动故障的冲击特征分析.结果表明:①松动故障所引发的机匣加速度时域波形具有上下不对称性冲击特征以及频谱中出现倍频特征;②仿真计算结果与实际弹用涡扇发动机试车数据时域波形特征以及频谱特征非常一致,而且验证了不对称刚度松动故障模型更适合弹用涡扇发动机的松动故障建模.      

某型弹用涡扇发动机振动故障建模与分析

针对某型弹用涡扇发动机振动超标问题,建立了1维有限元梁模型进行仿真与模拟,并结合实际试车数据进行了故障分析和仿真。结果表明:压气机前、后支承刚度对系统第2阶临界转速有很大影响,不合适的支承刚度使系统在工作转速范围内出现第2阶临界转速,从而导致整机振动超标。因此,降低该故障的途径是有效控制支承装配精度。     

涡扇发动机涡轮和机匣碰摩故障飞行试验研究

受装机空间限制,小涵道比涡扇发动机通常仅采用发动机振动值表征发动机的振动情况,无法准确对异常振动进行定位分析和排除。针对某台涡扇发动机在试飞中出现的发动机振动值异常现象,利用机载加装的应变片和振动传感器的测量数据,对故障现象进行了详细分析。结果表明:涡轮和机匣的碰摩导致发动机发动机振动值异常增大。总结了该型涡扇发动机涡轮和机匣碰摩中发动机振动值的发展趋势的特征,为迅速、准确定位后续飞行试验中的同类故障提供借鉴。     

含滚动轴承径向游隙的航空发动机整机振动响应特征分析

针对航空发动机支承系统中各支承处滚动轴承径向游隙对整机振动响应影响的灵敏度问题,建立了含滚动轴承径向游隙的真实发动机转子-支承-机匣整机振动模型,转子与机匣采用有限元模型,支承采用集总质量模型,分别考虑了四个不同支承处的滚动轴承径向游隙和赫兹接触力的强非线性,利用数值积分方法求解耦合系统的响应,分析了整机振动响应特征。对整机振动影响较大的支承S2处,分析了不同转速下,转子、滚动轴承外圈、机匣的响应特征;分析了非线性接触力随时间-滚珠数目变化、以及滚动轴承承载变化规律;分析了该支承处径向游隙对接触力的影响。结果表明:(1)转速越高,随着间隙增大,机匣加速度振幅跳跃和滞后现象越明显,且由于滚动轴承的变刚度,当刚度变化较剧烈时,系统的固有频率被激发,即频率锁定现象;(2)在大间隙下,转速在两阶临界转速之间,转子容易出现时而挤压,时而不挤压滚动轴承外圈的现象,即不稳定现象,可以通过减小径向游隙,从而增加转子的稳定性,同时减小整机振动。     

双转子涡扇发动机碰摩振动特征研究

针对某双转子涡扇发动机转子叶片-机匣碰摩振动问题,建立了新型叶片-机匣碰摩的力学模型。将所提出的碰摩模型 应用于某型发动机转子-支承-机匣整机模型中,开展了高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩仿真分析。分析结果表明：碰摩 导致整机振动值较大幅度的增大,同时伴随着高压转子倍频和高低压组合频振动成分。对某发动机整机试车振动数据分析表明： 其振动偏大主要是由于工作过程中转子和静子机匣的热变形不协调导致的高压涡轮转子叶片和高压涡轮机匣的碰摩引起的,主 要特征表现为振动总量和高压基频振动的增大,同时伴随明显的高压2倍频振动和高低压组合频振动。仿真分析结果与发动机 实测振动数据基本一致。     

带辅助支承的传动杆动态特性试验和仿真

为了研究大型客机发动机中带辅助支承的径向传动杆动态特性,搭建了测试位移和加速度响应的传动杆部件试验台, 在最大转速分别为26000、29000 r/min条件下进行了轴承座轴向共振试验、内传动杆弯曲共振和传动杆进入共振区间后的动态特 性试验;采用3维有限元方法建立了传动杆系统的动态特性模型,对传动杆系统的动态特性进行了仿真,并将试验结果与仿真结 果进行了对比分析。结果表明：传动杆位移响应先于轴承座加速度响应进入共振,并且在进入共振后的很长区间内,振动仍然持 续快速增大;结合试车经验和故障形式提出了“试车临界转速”的概念,利用3维有限元法综合考虑多部件结构特征、轴承支承刚 度和花键连接刚度,全面分析了传动杆组件的各阶固有频率,其中传动杆仿真临界转速和试车临界转速误差为2.1%。     

航空发动机叶片-机匣碰摩故障的机匣振动加速度 特征分析及验证

为了提取叶片机匣碰摩状态下的机匣振动加速度特征,利用航空发动机转子系统模型的试验器,进行了转子叶片-机匣的单点碰摩和偏摩试验,通过频谱分析和倒频谱分析方法,分析了机匣振动加速度信号的碰摩特征,结果表明:机匣振动加速度具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为旋转频率与叶片数的积,在频谱上出现了该冲击频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,在频率上表现出冲击频率及其倍频两侧出现了以旋转频率为间隔的边频带族。从倒频谱图中可以明显看出转频及其倍频的倒频率成分,并用实际航空发动机试车数据验证了分析结果。     

风车不平衡模拟碰摩实验台动力学特性研究

针对民用大涵道比涡扇发动机风车不平衡振动问题,搭建了转子-轴承-机匣系统风车不平衡模拟碰摩实验台,建立了转子实验台的简化有限元模型,并通过实验测得临界转速验证了模型的有效性。碰摩实验前,数值仿真分析了风车不平衡状态下不同碰摩刚度和碰摩间隙对转静碰摩系统动力学响应的影响,对碰摩实验结果进行了预估判断。结果表明:在低转速大不平衡量的风车不平衡模拟条件下,碰摩刚度的变化会激发n/2(n=1,5,7)倍频及4倍频的转频分量;碰摩间隙的变化除激发n/2(n=1,5)倍频的转频分量外,也会激发n/5(n=3,11,13,21)倍频的转频分量。     

某型航空涡扇发动机试车振动异常现象分析

对某型航空涡扇发动机在试车中出现的振动过大现象进行了测量和分析。在对发动机进行时域、频域和三维谱阵等分析后,发现发动机的振动与转频变化密切相关。根据发动机转子不平衡和不对中等故障的振动特征,发现不平衡振动是导致01号发动机在试车中振动异常的原因;02号发动机试车振动中不对中特征明显。所得出的结论对该型航空发动机的故障诊断有一定的参考价值。     

周期性碰摩激励作用下薄壁机匣支撑系统响应机理

针对发动机薄壁机匣支撑系统在碰摩激励作用下动力学响应复杂,基于机匣振动信号的碰摩故障特征识别难度大的问题,提出了一种用于故障特征机理分析的数值仿真方法。通过建立薄壁机匣系统的等效动力学三维实体模型,将碰摩激励进行等效力学简化,利用瞬态动力学方法对周期性碰摩故障进行了数值仿真。在系统固有特性分析的基础上,对机匣测点在碰摩激励作用下的时域、频域响应特征展开研究,得到了碰摩故障特征的产生机理。机匣位移振动信号主导频率为系统整体低阶固有频率,加速度振动信号主导频率为碰摩脉冲激励频率及其倍频,上述结论可作为碰摩故障发生的依据,为故障早期诊断提供参考。      

基于阶比分析技术的燃气发生器转子支承松动

振动特征分析是燃气发生器健康监测与故障诊断的重要手段,其中非平稳信号阶比分析技术是机械振动特征分析的重要方法。针对某型双转子燃气发生器变速工况下发生的转子支承松动故障,在分析该故障振动机理的基础上,介绍了阶比分析技术与发生器整机振动测试系统,通过实例分析进行了故障诊断,找到了故障发生的原因,验证了方法的有效性和可靠性     

多盘悬臂转子系统支座松动故障研究

针对工程中出现的支座松动故障,建立了多盘悬臂转子的松动有限元模型,对单支座和双支座松动故障进行动力学特性研究.结果表明:在两种情况下,随着松动刚度的降低,其运动形式基本一致,均经历了周期1、周期2、周期6和周期4运动;但轴心轨迹差别很大,对于单支座松动,轴心运动开始为一个上下差别很大的"8"字形,接着变为两个嵌套的"8"字形,最后变为"螺旋"状,而双支座松动开始轴心轨迹近似为三角形,接着变为两个"8"字形,最后也变为"螺旋"状.得出的结论为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考.      

双盘三支撑转子轴承系统松动-碰摩耦合故障分析

针对由于支座松动而引起松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了双盘三支撑的松动-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型.基于非线性有限元方法,使用松动端等效刚度模型及接触理论研究了碰摩刚度和松动刚度两个重要参数对系统动力学特性的影响.通过对在不同碰摩刚度及不同松动刚度条件下的系统动力学特性的研究,发现松动-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且时域波形高矮峰交替出现,轴心轨迹呈现“梯形”,这一特性可以作为诊断松动-碰摩耦合故障的一个依据.      

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象,建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型,该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效,依据实际联轴器刚度计算得到等效模型参数;根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产生的不对中激励力,基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故障激励下的振动特征,通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象,以及由于角度不对中产生的1倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验,通过比较仿真结果的精度达到85%以上,表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。     

涡轮泵启动过程振动故障检测方法

为了更全面地保证液体火箭发动机涡轮泵的安全,提出了一种针对其启动过程的振动故障检测方法,首先对等时间隔采集的振动数据进行重采样,获得等角间隔的振动数据,消除转速变化对振动特征的影响,选择并计算振动特征值,最后采用支持向量回归方法建立振动特征与转速的非线性关系模型.当新的测试数据偏离模型一定限度时,表明涡轮泵工作异常.2.2 s试车数据的检测时间只有0.0470 s,说明模型可用于涡轮泵启动过程故障检测.      

双跨转子系统裂纹-松动耦合故障的非线性响应

建立了带有裂纹-支承松动耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型, 并对系统裂纹、松动及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究.当只有裂纹故障时, 在亚临界转速和超临界转速区均有拟周期运动;当只有松动故障时, 在亚临界转速区为拟周期运动, 而在超临界转速区为混沌运动.当出现裂纹-松动耦合故障时, 松动故障的影响占主要地位, 同时有较大范围的周期3运动区间出现.随着裂纹深度的增加, 其影响作用逐渐增大.研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考.      

航空发动机转子盘腔积油振动故障分析

结合工程中航空发动机转子在试验中遇到的积油振动问题,从积油振动理论、动力学特性和振动信号分析方面展开研究,剖析了转子盘腔积液故障机理,获得了所引起转子失稳振动的特征及规律,建立了盘腔积油故障识别的流程和准则,以及其振动监控指导。研究表明:积油在转子临界转速以上的特定区域才会产生明显的次谐波振动,引起转子自激振动,自激振动频率与转子1阶临界转速接近;在临界转速以下,仍以转频振动为主,且积油会导致过临界转速峰值增大;上述故障识别的流程和准则应用在某发动机试验件转子,准确地识别出盘腔积油特征,验证本文研究结论的正确性。      

涡轮泵振动参数与统计特征量的线性相关性分析

为了剔除冗余的振动参数和统计特征量，提高涡轮泵故障检测的实时能力，建立了线性相关性假设检验模型。利用该假设检验模型和某型液体火箭发动机的历史试车数据，检验了7路涡轮泵振动参数以及13种常用统计特征量的线性相关性，并分析了统计特征量对涡轮泵故障的敏感性和稳定性，以及涡轮泵振动数据的正态性。数据统计分析表明，大部分涡轮泵振动参数以及统计特征量显著线性相关，幅值统计特征量的故障敏感性弱，但稳定性强，而无量纲统计特征量的情况恰好相反，并且正常涡轮泵振动数据服从正态分布，而异常涡轮泵振动数据不再服从正态分布。据此，为涡轮泵故障检测选择了线性相关性弱，故障特征反映能力强的3路振动参数和3种统计特征量。