路子翊 錢俊澤 葛暢 徐唐進(jìn) 年哲 曹文倩 何振鵬

摘 要 隨著航空航天技術(shù)，新能源技術(shù)的發(fā)展，各類內(nèi)燃機(jī)在生產(chǎn)生活中得到了更加廣泛的應(yīng)用，如何在內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)子故障時(shí)找到其故障原因也成為了研究熱點(diǎn)。本研究綜述了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)架的現(xiàn)狀，介紹了轉(zhuǎn)子故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)與研究方法，介紹了如何以傳感器，信息采集系統(tǒng)，軟件仿真模擬等技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子信息采集，分析判斷轉(zhuǎn)子狀態(tài)的方法。

關(guān)鍵詞 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 雙轉(zhuǎn)子 軟件仿真

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)主要研究的方向包括臨界轉(zhuǎn)速、通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)等。在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中對(duì)轉(zhuǎn)子研究時(shí)主要研究對(duì)象是軸承、和轉(zhuǎn)子。

現(xiàn)階段主要的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)研究方法包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際試驗(yàn)，傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型建造，軟件仿真等。其中軟件仿真可以有效地的進(jìn)行故障仿真與故障模擬，有效降低成本?，F(xiàn)代轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件仿真使用的仿真軟件有UG和MATLAB等軟件。而在大量的故障實(shí)例輸入學(xué)習(xí)的輔助下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等方法會(huì)成為研究轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的有效方法。轉(zhuǎn)子故障一般都為多發(fā)耦合性，在一個(gè)故障出現(xiàn)的情況下極易引起另一故障的發(fā)生，比如轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的轉(zhuǎn)子摩擦故障。在教研中可以利用轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)對(duì)這些故障分析。架轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)架在國(guó)內(nèi)外都有著豐富的研究與實(shí)物作品。

大連理工大學(xué)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使用各種設(shè)備連接單片機(jī)，單片機(jī)和電腦相連接，單片機(jī)處理顯示信息；也可以使用虛擬技術(shù)，LabView虛擬儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，在臺(tái)架上輔以各類傳感器，進(jìn)行信息采集，在已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行分析，該方法可以將動(dòng)靜態(tài)測(cè)試參數(shù)以圖表、曲線等方式顯示在微機(jī)屏幕上；合肥工業(yè)大學(xué)的楊中偉利用UG等軟件對(duì)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行各零件繪制，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架模型組裝，建立運(yùn)動(dòng)副，對(duì)臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，得到相關(guān)零件的運(yùn)動(dòng)曲線根據(jù)分析的結(jié)果可以得知轉(zhuǎn)子在不同故障下轉(zhuǎn)速的變化特征，從而根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律來得到轉(zhuǎn)速變化曲線與故障相對(duì)應(yīng)的情況，使用MATLAB/Simulink對(duì)轉(zhuǎn)子的故障進(jìn)行模擬，將結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫(kù)，與LabView虛擬儀器相結(jié)合，由虛擬儀器來展示轉(zhuǎn)子故障的仿真結(jié)果；為了解決微型發(fā)動(dòng)機(jī)分析測(cè)試經(jīng)費(fèi)不足的問題外國(guó)的Andrew Wiegand等人將無刷直流電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，安裝各式傳感器，通過與燃燒分析儀結(jié)合等方法建立了微型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件眾多，發(fā)動(dòng)機(jī)常常要工作在高溫度，高負(fù)荷的情況下，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)極易因振動(dòng)原因引發(fā)故障，威脅飛行安全。發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸、軸承和葉片等也會(huì)因振動(dòng)出現(xiàn)故障。發(fā)動(dòng)機(jī)的故障類型包括結(jié)構(gòu)故障、性能故障與附件系統(tǒng)故障等，而結(jié)構(gòu)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要故障類型，需要對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究。

1內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子故障模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

在科研實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)要求的各種器械設(shè)備都比較昂貴，本文中的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)架是為了教學(xué)使用，使用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方式。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子主要包括主軸，各類輪盤和葉片等。

國(guó)內(nèi)的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)架針對(duì)雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)的較少，本文所介紹的試驗(yàn)臺(tái)架是雙轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各種附件較多，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)采取了簡(jiǎn)化。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子主要包括主軸，各類輪盤和葉片等，這里將渦輪和渦扇等作為主要研究對(duì)象采用了軸盤式結(jié)構(gòu)。

圖1為內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子故障模擬試驗(yàn)臺(tái)模型，1-內(nèi)轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承，2-內(nèi)轉(zhuǎn)子前輪盤，3-同步帶（1：1），4-中介軸承，5-外轉(zhuǎn)子前輪盤，06-外轉(zhuǎn)軸，7-同步帶（1：1.2），8-外轉(zhuǎn)子后輪盤，9-外轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承，10-內(nèi)轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承，11-內(nèi)轉(zhuǎn)子后輪盤，12-內(nèi)轉(zhuǎn)軸，13-電機(jī)延長(zhǎng)軸滾動(dòng)軸承，14-電機(jī)延長(zhǎng)軸，15-電機(jī)延長(zhǎng)軸滾動(dòng)軸承，16-聯(lián)軸器，17-電機(jī)軸，18-電動(dòng)機(jī)。

此民航發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)由3根軸、1臺(tái)電動(dòng)機(jī)、4個(gè)輪盤、6個(gè)滾動(dòng)軸承組成。電機(jī)延長(zhǎng)軸14由電機(jī)帶動(dòng)，內(nèi)轉(zhuǎn)軸12由同步帶3帶動(dòng)，外轉(zhuǎn)子由同步帶7帶動(dòng)。

本文所有滾動(dòng)軸承均為深溝球軸承，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承1、內(nèi)轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承10、電機(jī)延長(zhǎng)軸滾動(dòng)軸承13、電機(jī)延長(zhǎng)軸滾動(dòng)軸承15均為6040深溝球軸承，中介軸承4為61904-2RC深溝球軸承，外轉(zhuǎn)子滾動(dòng)軸承9為6029深溝球軸承本實(shí)驗(yàn)臺(tái)用來模擬雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所選用軸承均為標(biāo)準(zhǔn)件。其中內(nèi)轉(zhuǎn)子前輪盤模擬低壓壓氣機(jī)、外轉(zhuǎn)子前輪盤模擬高壓壓氣機(jī)、外轉(zhuǎn)子后輪盤模擬高壓渦輪、內(nèi)轉(zhuǎn)子后輪盤模擬低壓渦輪。其中每個(gè)輪盤上設(shè)計(jì)有均勻分布的螺紋孔，方便增加不平衡量，用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障。

2雙轉(zhuǎn)子模型的非線性特性分析

由于系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性特性，采用變步長(zhǎng)四階-五階Runge-Kutta法對(duì)該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值仿真研究，從而得到一系列系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)圖，進(jìn)而分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

圖2除了用時(shí)改變轉(zhuǎn)速以外，已控制其他變量，如轉(zhuǎn)靜子間隙，偏心量等參數(shù)值相同。三幅圖示由上到下依次為軸承質(zhì)心的軸心軌跡圖、頻譜圖、Poincar杞孛嬙??？

對(duì)于以上三種情況，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，軸承處運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)都變得更加復(fù)雜化，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，軸承處運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)單周期運(yùn)動(dòng)，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，由頻譜圖可以看出，在頻譜圖中均出現(xiàn)了大量的低頻成分，圖2-2中也出現(xiàn)倍頻成分，這都說明轉(zhuǎn)速的增加使得軸承處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變得混亂，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到3500時(shí)，從以上Poincar柰伎梢鑰闖觶墻牖煦繚碩？

3結(jié)束語(yǔ)

研究?jī)?nèi)外雙轉(zhuǎn)子較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，建立了內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子模型，根據(jù)實(shí)際得到系統(tǒng)的軸承參數(shù)、內(nèi)外軸參數(shù)、內(nèi)外輪盤參數(shù)和電機(jī)相關(guān)參數(shù)等。在建模的過程中，利用三維軟件進(jìn)行仿真，考慮實(shí)際搭建出現(xiàn)的裝配問題，利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)仿真。通過給系統(tǒng)在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵性特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所選取觀察的三個(gè)轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中碰摩故障越厲害。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)一步說明了內(nèi)外轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障極為敏感。本研究的不足在于僅對(duì)特定型號(hào)的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行研究，缺乏具有普適性的模型。

（通訊作者：錢俊澤）

基金項(xiàng)目：2017，中國(guó)民航大學(xué)，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，（IECAUC2017005）。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫培巖，范寶峽，唐運(yùn)榜等.發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2001，30（06）：15-18.

[2] 任自中.虛擬技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001，19（01）：76-80.

[3] 楊忠偉.發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[4] Wiegand，A.&S.Miers;&D.Kowalski;，etal.Development of a Micro-Engine Testing System[C].SAE Technical Paper，2012.

[5] 周勇.民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究[D].天津：中國(guó)民航大學(xué)，2016.