■ 同更強 葉忠宇 張奇峰 / 中國航發(fā)西航

測量轉(zhuǎn)子葉片固有頻率是航空發(fā)動機葉片制造過程的重要環(huán)節(jié)，通過對葉片固有頻率測量系統(tǒng)進行數(shù)字化改造，測量效率和準確性得到了明顯提升。

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片是影響工作效率和使用安全的重要零件。為了避免發(fā)動機在工作過程中出現(xiàn)葉片共振，從而導(dǎo)致葉片掉塊、斷裂等危及飛行安全的故障，必須通過選配來控制同一臺同級轉(zhuǎn)子葉片固有頻率的分散度。因此，測量轉(zhuǎn)子葉片固有頻率是葉片生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時能起到檢查葉片加工質(zhì)量的作用，如圖1所示。葉片固有頻率通過由電動振動臺組成的測頻系統(tǒng)測量。原測頻系統(tǒng)需要人工操作、判斷并記錄，操作復(fù)雜、工作效率低，大量數(shù)據(jù)無法便捷利用，不能滿足未來數(shù)字化智能化制造的轉(zhuǎn)型要求，因此需要進行數(shù)字化改造。

圖1 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片測頻實物及仿真

葉片固有頻率測量原理

測頻系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器、電動振動臺、葉片夾具、電渦流位移傳感器、前置放大器、位移監(jiān)視器、頻率計和示波器等組成。

檢驗人員手動調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率的正弦激勵信號，經(jīng)功率放大器輸入電動振動臺，振動臺根據(jù)激勵信號產(chǎn)生對應(yīng)頻率的上下往復(fù)運動。

檢驗人員觀察示波器上的振動波形，當振幅（位移）出現(xiàn)峰值時，判定葉片是否發(fā)生了共振。 若判定為共振，則記錄頻率計上顯示的頻率值為葉片的固有頻率；若判定不是共振，則繼續(xù)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器旋鈕，直到葉片發(fā)生共振。

葉片測頻過程存在的問題及改造目標

葉片測頻過程一般為：裝夾葉片→調(diào)整電渦流位移傳感器與葉片間距→調(diào)節(jié)信號發(fā)生器激振頻率→觀察示波器振動波形→判斷葉片是否發(fā)生共振→手工記錄葉片固有頻率→重復(fù)3次（每個葉片需測量一階彎曲、二階彎曲、一階扭轉(zhuǎn)、二階扭轉(zhuǎn)共4階固有頻率）→結(jié)束。

整個測頻過程存在以下問題：一是依靠人工手動調(diào)節(jié)激振頻率、目視觀察示波器來判定葉片共振狀態(tài)，準確性不高，需要多次反復(fù)調(diào)整；二是所有數(shù)據(jù)手工記錄，需要記錄零件信息及4階頻率值（一彎、一扭、二彎、二扭），記錄量大；三是測頻數(shù)據(jù)主要用于后續(xù)葉片選配，因此需要多次傳遞、復(fù)印、轉(zhuǎn)抄，紙質(zhì)報告的數(shù)據(jù)傳遞效率低，轉(zhuǎn)抄過程易出現(xiàn)人為差錯。

針對原葉片測頻系統(tǒng)存在的問題進行數(shù)字化改造的目標是：葉片固有頻率自動判定；葉片測頻數(shù)據(jù)自動采集；葉片測頻效率顯著提升。

數(shù)字化改造方案

保留原測頻系統(tǒng)中信號發(fā)生器、電動振動臺、葉片夾具及示波器，更換電渦流傳感器、前置放大器，新增數(shù)據(jù)采集卡、工控計算機，開發(fā)測頻軟件，改造后系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 改造后葉片測頻系統(tǒng)示意及工作原理

信號發(fā)生器產(chǎn)生電壓激勵信號，振動臺根據(jù)該信號產(chǎn)生對應(yīng)頻率的上下往復(fù)運動，激勵葉片產(chǎn)生同頻振動。電渦流傳感器采集葉片振動狀態(tài)葉尖處的形變位移，根據(jù)位移變化產(chǎn)生動態(tài)感應(yīng)電流，經(jīng)由前置放大器的轉(zhuǎn)換和放大，輸出對應(yīng)的動態(tài)電壓。一路動態(tài)電壓輸入到示波器中顯示振動波形；另一路輸入UA205型數(shù)據(jù)采集卡，將動態(tài)電壓的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該數(shù)字信號實時輸入計算機測頻軟件，一方面顯示葉片振動波形，與示波器形成冗余功能；另一方面通過數(shù)據(jù)處理得到葉片振動的幅頻曲線，再通過計算、判定得到葉片固有頻率，將幅頻曲線和固有頻率顯示在軟件界面上。

改造技術(shù)要點

模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

葉片的振動信號是由電渦流位移傳感器采集，將葉片距離傳感器的位移轉(zhuǎn)化為動態(tài)電壓。由于計算機軟件只能處理數(shù)字信息，因此，需要通過數(shù)據(jù)采集卡將動態(tài)電壓模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在模數(shù)轉(zhuǎn)換時，采樣頻率是關(guān)系到能否準確重構(gòu)原始信號和軟件分析計算效率的關(guān)鍵參數(shù)。一方面，采樣頻率過低，重新擬合后的波形會與實際振動波形不符；另一方面，采樣頻率過高，會增加數(shù)據(jù)分析計算負擔(dān)，影響軟件運行效率。改造中所用電動振動臺的激振頻率小于等于5kHz，需要測量的葉片固有頻率不超過4kHz，因此將數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為40kHz，高于振動信號頻率10 倍以上，足以保證采集信號的真實度。

傅里葉變換

電渦流位移傳感器采集到的是葉片距離傳感器的位移隨時間的變化曲線，稱為時域信號，不能直觀反映振幅與頻率的關(guān)系。而判斷葉片出現(xiàn)共振的最重要的依據(jù)是振動頻率與固有頻率接近或相同時振幅出現(xiàn)峰值，不能通過時域信號直接判斷。

因此，通過傅里葉變換（FFT）對振動信號進行處理將位移時域信號轉(zhuǎn)換為振幅頻域信號,得到葉片振幅與振動頻率的關(guān)系曲線，稱為幅頻曲線或幅頻圖，從而可以非常直觀地觀察到振幅峰值和對應(yīng)的振動頻率。

自動判定固有頻率

改造中所選葉片需要測量4階固有頻率，固有頻率的理論值分別為128Hz、345 Hz、667Hz、1290Hz。測量時，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的激振頻率，從低到高依次通過葉片可能發(fā)生共振的頻率范圍，并在此范圍內(nèi)根據(jù)判定條件分析計算葉片的固有頻率，如圖3所示。在整個頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)多個振幅峰值，包含葉片的共振和高階諧振（當激振頻率等于固有頻率的倍數(shù)時，葉片會發(fā)生高階諧振），因此如何設(shè)計判定條件（軟件算法），有效排除諧振產(chǎn)生的干擾信號，是準確判定葉片固有頻率的關(guān)鍵。

圖3 葉片振動的幅頻曲線與掃頻區(qū)域

改造中所選取的轉(zhuǎn)子葉片已有大量的測頻數(shù)據(jù)積累，對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以確定每一階固有頻率的分散范圍，一彎頻率在120 ～140Hz、一 扭 頻 率 在300 ～400Hz、二彎頻率在600 ～700Hz、二扭頻率在1230 ～1370Hz。因此，將這幾個頻率范圍設(shè)置為信號發(fā)生器的掃頻范圍和軟件的計算分析范圍，在測量時，激振頻率在預(yù)設(shè)的頻率范圍緩慢勻速通過，在其他范圍迅速通過；測頻軟件也只分析計算預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，可有效屏蔽大多數(shù)諧振干擾信號并提高測頻效率。

因為共振時的振幅一般大于高階諧振時的振幅，所以測頻軟件分別比較各預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)振幅峰值，取其每個頻率范圍內(nèi)最大振幅對應(yīng)的激振頻率為葉片的固有頻率。為了防止葉片共振頻率不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)導(dǎo)致誤判，需要設(shè)定最大振幅不能出現(xiàn)在預(yù)設(shè)頻率范圍的邊界上，此時可修改預(yù)設(shè)頻率范圍以便在更大的范圍內(nèi)搜索葉片的固有頻率。

數(shù)據(jù)采集傳遞

將數(shù)字化改造后的葉片測頻系統(tǒng)通過工控網(wǎng)與企業(yè)數(shù)字化檢測系統(tǒng)集成，流程如圖4所示。數(shù)字化檢測系統(tǒng)推送葉片測頻任務(wù)（包含葉片批次序號）給測頻系統(tǒng)，測頻系統(tǒng)完成葉片測頻操作、數(shù)據(jù)采集、打印測頻報告，同時將測頻數(shù)據(jù)（包含頻率值、檢驗人員、時間等）上傳數(shù)字化檢測系統(tǒng)，并在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存檔、傳遞，供下游轉(zhuǎn)子葉片選配使用。

圖4 測頻系統(tǒng)與數(shù)字化檢測系統(tǒng)集成

改造成效分析

對葉片測頻系統(tǒng)進行數(shù)字化改造后，減化了操作步驟，測頻效率明顯提升，由原來的每件50s減少到35s。

對比改造前后同一批葉片的測頻數(shù)據(jù)，誤差控制在1Hz以內(nèi)，滿足控制要求。將原來由檢驗人員判定葉片共振狀態(tài)改進為軟件自動分析計算，降低了對檢驗人員的技能要求。從測頻機理分析，軟件計算得到的固有頻率值比人為判定得到的頻率值更準確可靠。

結(jié)束語

測頻系統(tǒng)改造后，由原手工記錄、紙質(zhì)傳遞數(shù)據(jù)改進為系統(tǒng)自動采集、數(shù)據(jù)自動傳遞共享的方式，實現(xiàn)了傳統(tǒng)葉片測頻作業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，極大提高了測量數(shù)據(jù)整理、分析和利用便捷性。