某发动机低压涡轮轴模态试验研究

摘 要：涡轮轴是发动机的关键件和重要件之一，用于联接涡轮盘、轴承座等零件。由于涡轮轴在高转速、高温度、变负荷条件下工作，工作条件恶劣，因此涡轮轴工作可靠与否直接影响发动机的寿命和安全。涡轮轴不仅传递扭矩还承受转子自身的重力、不平衡力等影响，所以轴的振动问题不可避免。该文简要介绍了采用模态试验的方法来分析、确定涡轮轴的振动特性，为某型发动机整机振动排故提供试验数据。

关键词：低压涡轮轴  模态分析  振动特性  模态振型

中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0036-01

某发动机在台架试车中，由于整机振动超标，前机匣垂直传感器和中机匣水平传感器在发动机由慢车状态向最大状态推加速性时，该两处振动指标均不合格。经多次排故，仍不合格，因此做低压涡轮轴的模态试验，将故障轴和非故障轴的振动特性进行对比，确定故障轴和非故障轴的振动特性是否存在差异。

1 低压涡轮轴技术状态

轴上的涡轮盘、轴承、螺母等其它零件均不安装。轴内的附属零件均由原销钉连接固定于轴内，未做任何改装。

2 模态分析基本原理

基本原理是人为给机械加激振力，同时测出其响应。接着将信号经数据采集系统进行采样，然后输入到计算机，用分析软件将数据经快速FFT变换，算出激振点与响应点的传递函数。为了得到振动模态，还需对机械上的各点计算出传递函数，根据FFT原理，对固有频率、阻尼比、振动模态等参数进行曲线拟合，最终将振动模态的全部动态过程通过计算机显示出来。

3 测试系统简介

本测试系统是北京东方振动和噪声技术研究所研制。该设备可以完成大容量数据采集、时域分析、频域分析和模态分析等功能。该试验设备由双通道DLF-3电荷放大器、采集系统、DASP分析软件及力锤、传感器等组成。

4 模态试验

4.1 模态试验前准备

4.1.1 边界条件

低压涡轮轴模态试验在完全自由状态进行，即用橡皮绳将轴垂直悬挂。

4.1.2 传感器选择

拾振传感器的选择：响应信号的拾取应选用小型的压电式加速度传感器，并用502胶粘贴在涡轮轴上，其频响范围为1～5 kHz。

激励信号传感器的选择：激励信号拾取选用力传感器。

锤头的选择：由于轴的固有频率不是很高，也为了避免击伤涡轮轴，故锤头选为铝制锤头。

4.1.3 试验模型的建立及网格的划分

为了建模的简单，试验模型做了必要的简化，不会影响模态参数的精度。

4.2 试验数据采集

采用DASP分析软件对数据进行采集。根据轴的结构特性，分析软件参数设置为：采样频率5000 Hz，触发次数为10次，即每点采样10次求平均，一次采样块数为8块， 每块为1024个采样数据。

4.3 试验数据处理

数据采集结束后，首先进行传递函数计算，确定模态阶数，然后进行模态拟合、振型编辑，最后进行模态振型的动画显示。

传递函数计算是对一个系统，通过其输入信号和输出信号，进行系统的频率响应分析，它反映了系统对信号的传递特性（幅频特性和相频特性），取决于系统的本身特性，与输入无关。

模态阶数的确定，是用集总平均的方法，将所有传递函数进行平均，得到一条平均后的曲线，确定模态阶数。

采用实模态多自由度拟合。先选一点传函，由此传函拟合得到各阶模态的频率和阻尼，各阶模态确定后，再由每个传递函数拟合得到各测点的振型。

模态拟合完成后，必须进行振型编辑，最后进行动画显示。

5 模态试验结果

故障轴和非故障轴静频结果见表1。

6 试验结果分析

（1）根据测试结果分析，故障轴与非故障轴同阶频率相差不大，且振型相同。轴的轴向、径向典型振型见图1。

（2）两根低压涡轮轴除了轴向有振动外，径向也有较复杂振动。

7 结语

故障轴和非故障轴振动模态相同、振动频率相近，因此确定两种轴无明显差异。

参考文献

[1] 张令弥.振动测试与动态分析[M].航空工业出版社，1992.

[2] 张令弥，曾庆华.模态分析与软件设计与开发[M].动态分析与测试技术，1989.

[3] 李德葆，张元润.振动测试与试验分析[M].机械工业出版社，1991.

[4] 应怀樵.现代振动噪声技术[M].航空工业出版社，2000.

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