陳建云，李云輝，曹慶宇，徐升

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南京 211899；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況惡劣，整機(jī)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象非常普遍，直接影響飛機(jī)的飛行安全。由于無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)原因和定位故障位置，發(fā)動(dòng)機(jī)遇到振動(dòng)問(wèn)題經(jīng)常是反復(fù)分解、裝配，無(wú)法針對(duì)性地解決，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)超標(biāo)經(jīng)常危及發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度或造成嚴(yán)重事故[1-2]。

整機(jī)振動(dòng)故障抑制技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性和可靠性提升的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，而轉(zhuǎn)靜子碰摩故障是導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)的重要因素之一，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于追求高推重比、低耗油率以及高轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子與靜子的間隙越來(lái)越小，轉(zhuǎn)靜子間碰摩故障發(fā)生的概率隨之增大[4-6]。轉(zhuǎn)靜子間碰摩一旦發(fā)生，將會(huì)使轉(zhuǎn)靜子間的間隙增大從而使其工作效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使葉片折斷[7-9]。而封嚴(yán)結(jié)構(gòu)與軸之間的碰摩會(huì)使封嚴(yán)結(jié)構(gòu)損壞，并使軸局部發(fā)熱引起熱彎曲從而使振動(dòng)加劇。同時(shí)，轉(zhuǎn)靜子碰摩將引起轉(zhuǎn)子發(fā)生非協(xié)調(diào)進(jìn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生交變應(yīng)力，促使轉(zhuǎn)子疲勞破壞[10]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障開(kāi)展了大量的研究工作[11-13]。Powrie等[14]采用靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩故障監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并提出了靜電信號(hào)軸頻分析的定義。要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的機(jī)理和特性，開(kāi)展整機(jī)振動(dòng)故障診斷與抑制技術(shù)驗(yàn)證，需要依靠結(jié)構(gòu)完整、性能優(yōu)良的故障模擬試驗(yàn)器；馬輝等[7，15]搭建了葉片碰摩試驗(yàn)臺(tái)，并建立了轉(zhuǎn)子-盤片-機(jī)匣的有限元碰摩模型，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性；張希等[16]設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子扭振與故障模擬多功能試驗(yàn)臺(tái)，可用于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析與轉(zhuǎn)子多故障的模擬和振動(dòng)測(cè)試分析；陳果等[3，9]建立了滾動(dòng)軸承支承下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡-碰摩-基礎(chǔ)松動(dòng)耦合故障試驗(yàn)器；褚福磊建立了單轉(zhuǎn)子盤軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)；劉長(zhǎng)利等也建立了單轉(zhuǎn)子碰摩故障的試驗(yàn)裝置。

在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)碰摩故障的研究多集中于單葉片系統(tǒng)，針對(duì)盤片-機(jī)匣耦合系統(tǒng)僅能模擬徑向的單點(diǎn)碰摩或局部碰摩故障，相應(yīng)的碰摩裝置只有徑向自動(dòng)進(jìn)給功能。本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)徑向及軸向碰摩的試驗(yàn)器來(lái)模擬小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的典型碰摩故障，并配置了數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，可用于轉(zhuǎn)子在碰摩故障條件下轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)測(cè)試與分析，為研究整機(jī)振動(dòng)故障抑制技術(shù)提供支持。

1 試驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)組成

碰摩故障模擬試驗(yàn)器能由驅(qū)動(dòng)裝置、試驗(yàn)器主體、防護(hù)系統(tǒng)和電氣及測(cè)試分析系統(tǒng)組成，夠全面模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的典型碰摩故障，試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碰摩故障模擬試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)、電機(jī)支承以及聯(lián)軸器組成。電機(jī)為試驗(yàn)器提供動(dòng)力，功率為30 kW，最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min，使用壽命不低于4000 h，具有在轉(zhuǎn)速為1000～5000 r/min內(nèi)，控制精度不低于±0.5%的能力。選用的膜片聯(lián)軸器適用于轉(zhuǎn)速高的工況，并且具有較好的平衡性能及撓性，適用于本試驗(yàn)器。

1.2 試驗(yàn)器主體

試驗(yàn)器主體由轉(zhuǎn)子支承、轉(zhuǎn)子、碰摩裝置組成。轉(zhuǎn)子安裝在2個(gè)轉(zhuǎn)子支承上，通過(guò)轉(zhuǎn)子支承上的墊片保證試驗(yàn)器主體標(biāo)高為600 mm；自動(dòng)進(jìn)給碰摩裝置安裝于對(duì)開(kāi)機(jī)匣上（可拆卸），可徑向、軸向進(jìn)給，并且對(duì)開(kāi)機(jī)匣可整體自動(dòng)橫向移動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給，保證進(jìn)給量、橫向位移、進(jìn)給速率及進(jìn)給精度。

1.3 防護(hù)系統(tǒng)

防護(hù)系統(tǒng)包括防護(hù)裝置和限振幅裝置。防護(hù)裝置具有防轉(zhuǎn)盤破裂沖擊能力，起到安全防護(hù)的作用，由端面防護(hù)焊接件和防護(hù)罩組成，全面防護(hù)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的緊急情況。攝像設(shè)備放置在防護(hù)罩外，在端面防護(hù)板上開(kāi)設(shè)圓孔，便于利用攝像設(shè)備觀察防護(hù)罩內(nèi)試驗(yàn)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況。限振幅裝置用于限制試驗(yàn)器的在運(yùn)行過(guò)程中的振幅≤20 mm，并可沿軸向移動(dòng)。限振幅裝置主要由底座、限位環(huán)、滾輪組件構(gòu)成。限位環(huán)由上下2個(gè)半環(huán)構(gòu)成，共裝有3個(gè)滾輪組件，可按要求調(diào)整所限振幅的大小。

1.4 電氣控制及測(cè)試分析系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以可編程控制器為主控制器，與變頻驅(qū)動(dòng)裝置和上位計(jì)算機(jī)共同組成工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，按工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)功能可分為用于操作監(jiān)控的上位機(jī)和用于設(shè)備控制的下位機(jī)。

測(cè)試分析系統(tǒng)包含振動(dòng)傳感器、采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)和測(cè)試分析軟件。試驗(yàn)件的振動(dòng)值經(jīng)振動(dòng)傳感器測(cè)量、信號(hào)調(diào)理器調(diào)理變換后，由采集設(shè)備采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)測(cè)試分析軟件進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并具有FFT、自譜、互譜、自相關(guān)、互相關(guān)、瀑布圖、圖譜數(shù)據(jù)輸出等功能。

2 試驗(yàn)器主體設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子支承設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子支承主要由軸承座、壓塊、連接板、立柱以及頂絲組成，通過(guò)徑向頂絲調(diào)節(jié)軸承座徑向位置，通過(guò)軸向頂絲調(diào)節(jié)軸承座軸向位置（利用導(dǎo)向鍵導(dǎo)向），通過(guò)連接板上的頂絲孔和墊片調(diào)節(jié)軸承座高度，通過(guò)壓塊將軸承座和連接板固定到支座上。轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)如圖2所示。軸承座設(shè)計(jì)為上下對(duì)開(kāi)的形式，方便轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的更換。立柱采用鑄造件，在支承上設(shè)置2個(gè)直徑為30 mm的通孔，在試驗(yàn)過(guò)程中用于調(diào)節(jié)支承的固有頻率，材質(zhì)為QT400球墨鑄鐵，與基礎(chǔ)鋼平臺(tái)通過(guò)螺栓剛性連接。

圖2 轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子由軸、帶模擬葉片盤、帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤、脹套和軸承等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。3種轉(zhuǎn)盤與軸之間均通過(guò)脹套連接，軸承通過(guò)螺母軸向固定，并通過(guò)鼠籠式彈性支承與轉(zhuǎn)接環(huán)安裝到軸承座上，用端蓋進(jìn)行封堵，防止雜質(zhì)進(jìn)入。為滿足轉(zhuǎn)速要求并保證試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)器安全可靠地運(yùn)行，靠近電機(jī)的軸承采用深溝球軸承，以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的工況并作為固定點(diǎn)；尾端軸承采用圓柱滾子軸承，以保證試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)子的撓度引起的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。采用鼠籠式彈性支撐，以調(diào)整轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。與驅(qū)動(dòng)裝置連接的軸頭采用花鍵形式，可傳遞較大的扭矩。軸和盤的材料均為45鋼，葉片及篦齒的材料為20鋼，葉尖及篦齒進(jìn)行滲碳處理。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.3 碰摩裝置設(shè)計(jì)

碰摩裝置由對(duì)開(kāi)機(jī)匣、機(jī)匣支承立柱、徑向進(jìn)給模塊、軸向進(jìn)給模塊及橫向位移模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。機(jī)匣設(shè)計(jì)為上下對(duì)開(kāi)機(jī)匣，鑄造成型。機(jī)匣圓周上有4個(gè)徑向進(jìn)給裝置，機(jī)匣端面有1個(gè)軸向進(jìn)給裝置，在機(jī)匣支承上有1個(gè)橫向位移裝置，并設(shè)有鎖死結(jié)構(gòu)。徑向、軸向進(jìn)給量及機(jī)匣橫向位移均為20 mm，伺服電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器，保證進(jìn)給速率不大于0.2 mm/s，進(jìn)給精度不超過(guò)5%。機(jī)匣支承立柱采用鑄件，與基礎(chǔ)平臺(tái)間有導(dǎo)向鍵，以保證整個(gè)碰摩裝置可沿軸向移動(dòng)。徑向和軸向碰摩塊都由固定件和可拆卸件組成?？刹鹦恫糠钟猩刃闻瞿K和錐體碰模塊2種結(jié)構(gòu)，分別選用不同材料（鋼、銅、鋁、石墨），以模擬不同硬度材料之間的碰摩故障，扇形碰模塊用于模擬葉片與機(jī)匣之間的碰摩，錐體碰模塊用于模擬轉(zhuǎn)子與封嚴(yán)篦齒之間的碰摩。固定件和可拆卸件通過(guò)螺紋連接，方便更換、拆卸。

圖4 碰摩裝置結(jié)構(gòu)

2.4 模態(tài)分析

對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于轉(zhuǎn)子支承剛度較大，視其為剛性，因此只考慮軸承的影響。軸承采用ANSYS的虛擬軸承模型，左端為深溝球軸承，右端為圓柱滾子軸承，其動(dòng)力系數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)UG建立計(jì)算模型，采用SOLID187單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并用Workbench模塊對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。約束軸兩端面的軸向位移自由度，其它方向自由。試驗(yàn)器工作轉(zhuǎn)速設(shè)置為0～5000 r/min。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出轉(zhuǎn)子的1階臨界轉(zhuǎn)速為1825.5 r/min，所選用的驅(qū)動(dòng)裝置能夠使轉(zhuǎn)子快速地越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，避免引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)。其振型如圖5所示。

表1 軸承動(dòng)力系數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)子振型

2.5 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子達(dá)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速值，由碰摩裝置通過(guò)伺服電機(jī)控制徑向碰摩塊與其中1個(gè)轉(zhuǎn)盤發(fā)生徑向碰摩，另外2個(gè)轉(zhuǎn)盤移至軸的一端鎖緊，用于模擬徑向單點(diǎn)碰摩、多點(diǎn)碰摩以及機(jī)匣與不同結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子之間的徑向碰摩故障。通過(guò)伺服電機(jī)控制軸向碰摩塊與帶篦齒葉冠盤的端面碰摩，用于模擬轉(zhuǎn)靜子之間的軸向碰摩故障。隨著進(jìn)給量的增加（0～20 mm），轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況也隨之變化。另外，利用固定在機(jī)匣支撐上的伺服電機(jī)帶動(dòng)直線滑動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的整體橫向移動(dòng)，用于模擬轉(zhuǎn)靜子的偏心碰摩故障。還可以通過(guò)更換碰摩塊材料，模擬不同硬度材料之間的轉(zhuǎn)靜子碰摩，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均由防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。

通過(guò)非接觸式位移傳感器測(cè)試不同轉(zhuǎn)速以及不同碰摩工況下轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)相應(yīng)信號(hào)，并利用測(cè)試分析系統(tǒng)采集、分析轉(zhuǎn)子的振動(dòng)數(shù)據(jù)，研究碰摩進(jìn)給量、碰摩結(jié)構(gòu)、碰摩材料、碰摩位置與振動(dòng)特性的關(guān)系。

3 強(qiáng)度校核

3.1 軸強(qiáng)度校核

轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度主要考慮在轉(zhuǎn)盤重力作用下的彎曲應(yīng)力。由材料力學(xué)知識(shí)可知，2根轉(zhuǎn)軸可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算。其彎矩如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)軸彎矩

從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)截面為篦齒鼓筒盤懸掛處，其最大彎矩為143 N·m，其最大彎曲應(yīng)力σmax=Mmax/W=23 MPa，而軸材料為45鋼，其屈服極限為355 MPa，因此有足夠的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。

3.2 盤強(qiáng)度校核

盤的靜強(qiáng)度主要考慮高速旋轉(zhuǎn)情況下引起的離心力，采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度分析。轉(zhuǎn)盤采用Workbench前處理軟件劃分網(wǎng)格，并用靜力學(xué)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)盤強(qiáng)度分析。對(duì)轉(zhuǎn)盤中心孔表面施加圓柱面約束，約束軸向及切向位移，試驗(yàn)器最大工作轉(zhuǎn)速為5000 r/min，對(duì)模型施加轉(zhuǎn)速載荷，并對(duì)盤中心孔施加脹套的脹緊力89 MPa。盤材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 盤材料參數(shù)

通過(guò)計(jì)算分析得到3個(gè)轉(zhuǎn)盤的最大應(yīng)力分別為189、211、245 MPa，都分布在中心孔表面，應(yīng)力如圖7所示（帶模擬葉片盤取包含1個(gè)葉片的扇形段，帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤取整個(gè)盤的1/4）。與表2中材料參數(shù)對(duì)比表明，盤的強(qiáng)度滿足要求，有一定的安全系數(shù)。

圖7 3個(gè)轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力

3.3 對(duì)開(kāi)機(jī)匣強(qiáng)度校核

對(duì)徑向和軸向碰摩狀態(tài)分別建立UG模型，并應(yīng)用ANSYS進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算分析，如圖8所示。得到徑向、軸向碰摩狀態(tài)的最大應(yīng)力分別為36、88 MPa，均滿足機(jī)匣材料（鑄鋼）的強(qiáng)度要求。

圖8 機(jī)匣強(qiáng)度計(jì)算加載模型

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)器具有模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的功能，能夠模擬不同形式、不同長(zhǎng)度、不同材料的轉(zhuǎn)子與靜子的碰摩故障，并且徑向碰摩、軸向碰摩可自動(dòng)進(jìn)給。

（2）試驗(yàn)器還具有監(jiān)視轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)情況的能力，能夠檢測(cè)并分析轉(zhuǎn)軸振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，歸納出碰摩故障典型特征和識(shí)別方法，為“發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)抑制技術(shù)”研究提供驗(yàn)證手段。