航空发动机转子-滚动轴承-支承-机匣耦合系统的碰摩故障分析与验证

针对实际的航空发动机转子系统,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了机匣运动,弹性支承、挤压油膜阻尼,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的变柔性(VaryingcomplianceVC)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并建立带机匣的航空发动机转子实验器进行碰摩故障实验,仿真结果与实验结果比较分析表明了模型的有效性.      

航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力学分析

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了低压转子与高压转子的中介轴承、高压转子与机匣的碰摩、以及滚动轴承外圈与轴承座之间的弹性支承和挤压油膜阻尼等耦合作用.在滚动轴承模型中,考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varying compliance)振动等.最后,运用数值积分方法获取了系统响应,对双转子系统响应进行动力学分析与验证.      

航空发动机整机振动半实物建模方法研究

为了研究一种快速准确地分析航空发动机整机振动的建模方法,采用试验与仿真结合,在转子模型中综合机匣-支承试验数据的半实物建模方法,对整机振动半实物建模原理,机匣-支承传递函数测试、结构综合建模等问题进行了研究,运用航空发动机转子试验器对半实物建模方法进行验证。建立试验器整机及半实物仿真模型,计算机匣振动响应;拆装转子试验器,测试机匣-支承连接位置频率响应函数,综合转子有限元模型,建立基于试验数据的试验器半实物模型,计算整机频率响应函数。结果表明,半实物建模方法能够在保证计算精度的前提下缩减90%以上的计算时间,运用半实物模型能够准确地获得整机频率响应函数,固有频率计算误差在2%以内。     

航空发动机整机振动中的不平衡-不对中-碰摩耦合故障研究

针对航空发动机整机振动分析,建立了含不平衡-不对中-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在耦合模型中,考虑了机匣运动,同时,充分考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触以及变柔性VC(varying compliance)等非线性因素;在耦合故障中,建立了不平衡、不对中和碰摩故障模型.运用数值积分方法获取了系统响应,研究耦合故障特征和规律.仿真计算分析表明了该模型的正确有效性.      

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。     

俯冲拉起飞行条件下航空发动机整机动力学特性分析

以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考,分别采用截锥壳元素法和Timoshenko梁理论对其机匣和双转子系统进行了有限元建模,得到了试验器的整机转子动力学有限元模型。研究了俯冲拉起飞行条件下机匣支承刚度、安装节支承刚度与机动载荷对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。研究结果表明:机匣支承刚度与机动载荷对发动机产生转静子径向碰摩的影响较大,而安装节支承刚度对发动机产生转静子径向碰摩的影响相对较小;机匣测点振动随机匣支承刚度的减小而减小,随安装节支承刚度的减小而增大;机匣测点振动对俯冲拉起机动载荷变化不敏感。     

高速柔性转子-支承系统耦合动力特性计算与试验

随着航空发动机朝着高转速、高推重比方向发展,机匣壁设计得越来越薄,导致转、静子系统间的耦合振动问题突出,增 加了发动机整机振动过大风险。针对某型高速柔性转子试验件系统,建立了柔性转子-支承系统的力学模型,采用有限元软件ANSYS对系统进行耦合动力特性分析,并开展了转子系统动力特性试验。结果表明：采用转子-支承系统耦合模型进行动力特性分析获得的峰值转速计算结果与试验结果差异为 3% 左右;由于支承系统存在共振,转子在工作转速范围内由 2 个峰值转速40%n、69%n变为3个峰值转速38%n、62%n和84%n,增加的峰值转速落在转速常用工作转速范围内,增加了系统振动过大风险。采用转子-支承系统耦合模型进行转子系统动力特性设计可以避免传统方法仅考虑转子动力特性而忽略了支承系统局部振动和耦合振动带来的振动问题,更为全面地指导发动机转子动力学设计。     

含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动耦合动力学模型

在航空发动机整机振动模型中对滚动轴承进行了详细建模。建立了5自由度（DOF）球轴承动力学模型，推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式；针对圆柱滚子轴承，利用“切片法”，推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴承倾斜引起的角向变形等复杂因素作用下的圆柱滚子轴承的作用力；将复杂的球轴承模型和滚子轴承模型与6自由度的转子和机匣有限元梁模型结合，建立了含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动模型，并利用数值积分方法进行了动力学方程求解。利用带机匣的转子试验器进行了方法验证，与试验结果对比表明，仿真计算的整机振动前3阶固有频率误差在5%以内，对应振型完全相似。      

基于转静子耦合的组合压气机动力特性分析

组合压气机被广泛用于中小型航空发动机,高转速和机匣薄壁化使得转、静子之间的耦合日趋严重,有必要对其转子-支承-机匣系统的动力特性进行研究。建立了不同机匣厚度的组合压气机实体模型和有限元模型,采用有限元法,分别对组合压气机转子-支承系统和转子-支承-机匣系统进行动力特性分析,对机匣部件进行模态分析,并对转子-支承-机匣系统进行不平衡响应分析。结果表明:转、静子耦合不仅使组合压气机系统多出以机匣弯曲振动为主振型的临界转速,同时对以转子弯曲振动为主振型的临界转速影响明显,在工程中需考虑转、静子耦合效应对发动机临界转速的影响。     

航空发动机整机动力学研究进展与展望

对近年来航空发动机整机动力学的研究现状、进展进行了综述,包括双转子系统固有特性计算、转子-滚动轴承系统动力学、转子叶片振动、发动机机匣动力学、机动飞行转子系统动力学、航空发动机转子碰摩动力学、航空发动机转子裂纹以及整机动力学等.最后对航空发动机整机动力学今后工作研究的方向进行了展望.     

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

航空发动机燃油系统执行机构及其传感器故障诊断

提出了基于执行机构模型和航空发动机逆模型的执行机构及其传感器单一故障诊断和定位方法.基于执行机构小闭环结构建立了3阶执行机构传递函数模型.基于两个并联的BP(back propagation)神经网络,建立了航空发动机稳态逆模块和动态补偿模块,形成航空发动机逆模型,以实现基于航空发动机输出的燃油流量估计.以执行机构模型输出和传感器输出之间的偏差为依据进行故障判别,以航空发动机逆模型输出和传感器输出偏差为依据对故障进行定位.以某型航空发动机及其燃油系统执行机构模型为对象进行的仿真,结果表明,该诊断系统可在航空发动机稳态、动态情况下准确地诊断出幅值在1.6%以上的执行机构及其传感器故障并进行定位,验证了所提出故障诊断方法的有效性.      

Nonlinear interval analysis of rotor response with joints under uncertainties

The dynamic influence of joints in aero-engine rotor systems is investigated in this paper. Firstly, the tangential stiffness and loss factor are obtained from an isolated lap joint setup with dynamic excitation experiments. Also, the influence of the normal contact pressure and the excitation level are examined, which revel the uncertainty in joints. Then, the updated Thin Layer Elements (TLEs) method with fitted parameters based on the experiments is established to simulate the dynamic properties of joints on the interface. The response of the rotor subjected to unbalance excitation is calculated, and the results illustrate the effectiveness of the proposed method. Meanwhile, using the Chebyshev inclusion function and a direct iteration algorithm, a nonlinear interval analysis method is established to consider the uncertainty of parameters in joints. The accuracy is proved by comparison with results obtained using the Monte-Carlo method. Combined with the updated TLEs, the nonlinear Chebyshev method is successfully applied on a finite model of a rotor. The study shows that substantial attention should be paid to the dynamical design for the joint in rotor systems, the dynamic properties of joints under complex loading and the corresponding interval analysis method need to be intensively studied.     

基于机匣测点信号的航空发动机滚动轴承故障诊断灵敏性分析

研究了基于机匣测点信号进行航空发动机滚动轴承故障诊断的灵敏性问题.首先利用两个带机匣的航空发动机转子试验器进行了冲击响应试验,比较了滚动轴承处冲击激励引起的轴承座测点响应和机匣测点响应的差别;然后利用这两个带机匣的转子试验器进行了滚动轴承故障模拟试验,详细对比分析了轴承座测点信号和机匣测点信号的时域波形、频谱和小波包络谱.结果表明:当滚动轴承和机匣的连接刚度较小时,故障滚动轴承的振动信号传递到机匣上时会产生很大的衰减,然而利用传统的基于小波包变换的包络解调方法仍然可以很好地诊断出外圈故障和内圈故障,对于滚动体故障的诊断效果略差.研究结果对于实际中基于机匣测点信号进行航空发动机滚动轴承故障诊断提供了试验依据.      

转子-滚动轴承-机匣耦合系统的不平衡-碰摩耦合故障非线性动力学响应分析

建立了含转子不平衡-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,充分考虑了转子系统的不平衡和碰摩故障的耦合.对滚动轴承模型,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的VC(Varying compliance)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,研究了系统的分叉与混沌运动,分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量,轴承座-机匣刚度以及机匣-基础刚度对系统响应的影响,得到了在转子不平衡和碰摩故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律.      

基于深度学习的航空发动机不平衡故障部位识别

针对基于机匣测点的航空发动机不平衡故障部位识别问题,提出了基于深度卷积神经网络的航空发动机不平衡故障部位诊断方法。针对某典型双转子航空发动机,建立整机耦合动力学模型,并利用数值积分算法实现不平衡故障数值仿真;在从发动机压气机端到涡轮端的高、低压转子上选择4个不平衡故障部位作为诊断对象,通过仿真分析得到发动机典型转速下的转子不同部位不平衡故障的仿真样本;计算4个机匣测点信号的规范化频谱,通过对大量仿真数据的处理得到反映不同不平衡故障部位的故障样本集;利用仿真得到的大量不平衡故障样本,训练深度卷积神经网络,利用深度卷积神经网络的优良特征学习能力实现航空发动机不平衡故障的不同部位进行识别,数值试验结果表明该方法对航空发动机不平衡故障部位的识别准确率达到95%。     

基于模糊积分的航空发动机MTBF动态评估方法

针对传统评估方法无法解决航空发动机可靠性评估的滞后问题,采用模糊积分方法建立航空发动机动态可靠性评估模型.引入故障强度因子,建立降半正态型分布的故障强度因子函数表示故障纠正过程.通过故障强度因子得到模糊密度,采用Choquet模糊积分方法融合发动机各阶段可靠性指标,解决了航空发动机可靠性指标的动态评估问题.对在研的某小型涡扇发动机进行了应用研究,结果表明采用Choquet模糊积分数据融合方法进行动态评估能考虑到不同阶段故障数据的重要性,对发动机当前的可靠性水平能给予更加科学的评价.