孟現(xiàn)召， 仲志丹

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院洛陽分院機(jī)務(wù)工程部，河南洛陽471001；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽471023）

一種精確測(cè)量螺旋槳重點(diǎn)位置的方法

孟現(xiàn)召1， 仲志丹2

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院洛陽分院機(jī)務(wù)工程部，河南洛陽471001；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽471023）

螺旋槳作為一高速旋轉(zhuǎn)部件，由于制造和裝配誤差，造成螺旋槳在裝機(jī)后重心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，以及各槳葉上氣動(dòng)力不完全一致，從而使螺旋槳在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)。文中討論一種精確測(cè)量螺旋槳重點(diǎn)位置的方法，可為正確進(jìn)行螺旋槳?jiǎng)悠胶馓峁﹨⒖肌?/p>

螺旋槳；振動(dòng)；測(cè)量；重點(diǎn)；方法

0 引言

在航空螺旋槳式動(dòng)力裝置上，由于螺旋槳橫向尺寸大、葉片數(shù)目少，故單葉葉片的質(zhì)量和承載相對(duì)較大。在實(shí)際制造和裝配過程中，各槳葉的外形和質(zhì)量分布不可能做到絕對(duì)一致，使得槳葉裝配在槳轂上成為一件完整的螺旋槳以后，制造和裝配誤差會(huì)造成螺旋槳在裝機(jī)后重心和旋轉(zhuǎn)中心不重合，產(chǎn)生靜不平衡；相對(duì)于靜不平衡，在螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)過程中由于各槳葉的重心不在同一旋轉(zhuǎn)平面上，以及各槳葉上氣動(dòng)力不完全一致引起各槳葉氣動(dòng)力的合力作用點(diǎn)偏離旋轉(zhuǎn)中心，則產(chǎn)生動(dòng)不平衡。所以在螺旋槳裝機(jī)后的實(shí)際工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)是動(dòng)、靜不平衡力的復(fù)合［1］。這種振動(dòng)除了使航空器上乘員感到不適外，還使航空器相關(guān)部件承受很大的交變載荷，造成結(jié)構(gòu)疲勞破壞，所以必須對(duì)螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡配平，以降低其振動(dòng)值水平。

以螺旋槳的旋轉(zhuǎn)中心為中心、以螺旋槳槳轂周緣為圓周的圓平面上，螺旋槳重心所在半徑就是螺旋槳的重點(diǎn)位置，與重點(diǎn)呈180°對(duì)稱的半徑就是輕點(diǎn)位置。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，對(duì)裝機(jī)后的螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡配平實(shí)際上就是先找到重點(diǎn)位置，再找到輕點(diǎn)位置，然后在輕點(diǎn)位置上安裝合適重量的配重［2］。這就提出了兩個(gè)方面的問題，即振動(dòng)值的大小和重點(diǎn)的位置，其中振動(dòng)值的大小可以直接由振動(dòng)值傳感器進(jìn)行探測(cè)，故本文主要討論如何對(duì)螺旋槳的重點(diǎn)位置進(jìn)行精確測(cè)定。

1 螺旋槳-發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的振型分析

由于螺旋槳的重心G偏離了其旋轉(zhuǎn)中心D，設(shè)偏心距為e，螺旋槳質(zhì)量為m，螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量為M，螺旋槳轉(zhuǎn)速為ω，則其離心力F=meω2，該力通過螺旋槳轉(zhuǎn)軸沿法線方向經(jīng)支撐軸承傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)以點(diǎn)O為中心、以r為半徑進(jìn)行同步弓形回旋運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)特征是在轉(zhuǎn)動(dòng)中O、D、G三點(diǎn)保持固定的相對(duì)位置，如圖1（a）。

圖1

以螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)作為振動(dòng)系統(tǒng)，用（u，v）表示螺旋槳旋轉(zhuǎn)中心D的位置，則螺旋槳重心G的位置為（u+ecos（ωt），v+esin（ωt）），如圖1（a）；設(shè)阻尼為c，剛度為k，由牛頓第二定律得到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

可見發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是頻率與螺旋槳旋轉(zhuǎn)同頻、等幅、相位恒定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，激振力是螺旋槳的偏心質(zhì)量離心力F＝meω2。

2 振動(dòng)值量的測(cè)量

振動(dòng)值傳感器屬于速度傳感器，探測(cè)的是振動(dòng)物體在單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)位移；它具有方向性，在殼體上會(huì)有安裝方向的標(biāo)識(shí)。振動(dòng)值傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上靠近螺旋槳安裝法蘭的位置［5］，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)位移。在航空維修業(yè)內(nèi)廣泛地應(yīng)用Chadwick Helmuth公司生產(chǎn)的Vibra2000型螺旋槳振動(dòng)值測(cè)試儀，其配備的振動(dòng)值傳感器上就有一個(gè)箭頭標(biāo)記，要求安裝時(shí)必須將箭頭指向朝上安裝［3］，所以它只能正確探測(cè)豎直向上的振動(dòng)。在本螺旋槳—發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)研究中，我們以該型傳感器為例，只關(guān)心在豎直方向上發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的振動(dòng)位移。

可見振動(dòng)值傳感器的輸出波形是機(jī)匣振動(dòng)位移波形的跟隨。由于在實(shí)際進(jìn)行動(dòng)平衡配平時(shí)并不知道螺旋槳重點(diǎn)的位置，選取的零位參考標(biāo)記具有隨機(jī)性，即螺旋槳重點(diǎn)位置與參考零位標(biāo)記二者所在半徑之間夾角α一般不會(huì)恰好等于零，如圖1（b），所以有α+β=2π，又有：

振動(dòng)值傳感器的方向性決定了其輸出波形圖為一余弦波的正半幅，如圖2（c）。

圖2

振動(dòng)值傳感器只能輸出振動(dòng)值的大小，這對(duì)于進(jìn)行螺旋槳的動(dòng)平衡配平是不夠的，如前所述，進(jìn)行正確配平還需要知道重點(diǎn)的位置。

3 重點(diǎn)位置的測(cè)量

由于令ψ=0，所以當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)中心O與螺旋槳重心G之間的有向線段OG方向與振動(dòng)值傳感器殼體上箭頭方向一致時(shí)，振動(dòng)值傳感器輸出信號(hào)幅值最大，如圖1（c），此時(shí)有φ+α=2π，則φ=β。可見，只要測(cè)出β的大小，即可得到螺旋槳重點(diǎn)所在半徑與參考零位標(biāo)記之間的夾角，即可得到重點(diǎn)的位置。

要實(shí)施此項(xiàng)測(cè)量，需進(jìn)行以下步驟：

1）時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘脈沖是由專門的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的矩形脈沖，它的工作頻率非常穩(wěn)定和準(zhǔn)確，如圖2（a）。時(shí)鐘脈沖的頻率f為定值，根據(jù)式T=1/f可得到一個(gè)時(shí)鐘脈沖所占用的時(shí)間，用來提供時(shí)間基準(zhǔn)。

2）轉(zhuǎn)速脈沖。轉(zhuǎn)速脈沖來自轉(zhuǎn)速傳感器；視所采用的轉(zhuǎn)速傳感器的類型在槳轂上零點(diǎn)標(biāo)記位置貼上反光鋁箔或安裝磁性塊［3］，總之需要使槳轂上的零點(diǎn)標(biāo)記通過轉(zhuǎn)速傳感器探頭時(shí)轉(zhuǎn)速傳感器即輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，如圖2（b）。由計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖Rn與Rn+1之間時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)X，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n即可由式n=60f/X得到，單位為r/min。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周零點(diǎn)位置經(jīng)過轉(zhuǎn)速探頭一次，轉(zhuǎn)速傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，可見轉(zhuǎn)速脈沖實(shí)際上起到了零位同步傳感器的作用，它的出現(xiàn)標(biāo)志著螺旋槳旋轉(zhuǎn)中新的一轉(zhuǎn)開始了。

3）振動(dòng)脈沖。振動(dòng)值傳感器輸出振動(dòng)脈沖，然后由取樣電路對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣、保持和對(duì)比，獲取其最大值，得到振動(dòng)值的大小。

4）重點(diǎn)位置。如圖2（c），從獲取到一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖Rn開始至獲取到下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖Rn+1止，螺旋槳轉(zhuǎn)過完整的一周，在這期間必然會(huì)有一個(gè)振動(dòng)脈沖In出現(xiàn)；統(tǒng)計(jì)從轉(zhuǎn)速脈沖Rn開始至振動(dòng)脈沖In出現(xiàn)期間時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)X1，統(tǒng)計(jì)振動(dòng)脈沖In與一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖Rn+1之間的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)X2，由式φ＝2πX1/（X1＋X2）得到角度β，則

就是說，從選定的零點(diǎn)位置所在半徑開始，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α角后就是重點(diǎn)所在的半徑。

需要注意的是，本方法能夠得出正確結(jié)果的前提是每相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖Rn與Rn+1之間的時(shí)鐘脈沖數(shù)目是相等的，即螺旋槳應(yīng)該處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)；如果螺旋槳處于加速或減速的過程中，將導(dǎo)致測(cè)出的∠α大小出現(xiàn)較大的偏差。

重點(diǎn)位置測(cè)出后，即可結(jié)合振動(dòng)值傳感器輸出振動(dòng)值的大小對(duì)螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡配平。

［1］ HartzellPropellerInc.HartzellPropellerOverhaulandMaintenance Manual（Revision 39）［M］.Hartzell Propeller Inc.，2010.

［2］ 葛漫江，王凱.螺旋槳振動(dòng)的外場(chǎng)檢測(cè)和排故［J］.航空維修與工程，2001（3）：44.

［3］ Honeywell Aerospace.Chadwick Helmuth vibrex 2000 Operator’sManual［M］.Honeywell Aerospace，2000.

［4］ 林遠(yuǎn)東.偏心質(zhì)量引起旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（5）：29.

［5］ 屈玉池，張永峰，趙述元，等.螺旋槳振動(dòng)傳遞試驗(yàn)研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35（1）：33-36.

（編輯：?jiǎn)?迪）

Accurate Detection Method of Heavy Spot on the Propeller

MENG Xianzhao1， ZHONG Zhidan2
（1.Maintenance Engineering Department，Luoyang College，Civil Aviation Flight University of China，Luoyang 471001，China; 2.College of Mechanical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China）

Because of the errors in manufacturing and reassembling，the barycentre of the propeller will deviate from its rotation centre，and the aerodynamic force brought from every blade is not exactly the same，these factors will make the propeller vibrating when it is in high-speed rotating.A accurate detection method of heavy spot on the propeller is proposed to provide a good reference for the procedure of propeller dynamic balance.

propeller;vibration;detection;heavy spot

V 211.44

A

1002－2333（2014）04－0023－03

孟現(xiàn)召（1975—），男，工程師，研究方向?yàn)楹娇掌骶S修；仲志丹（1975—），男，教授，博士學(xué)位，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、先進(jìn)能源技術(shù)。

2014-02-07