本發(fā)明涉及一種基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法，針對槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子剛度各向異性下不平衡振動難以抑制的問題。采用mems三軸振動加速度傳感器實時提取槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子徑向水平及垂直測點、軸向兩固定軸承支座測點的基頻振動信號，合成三維軸心軌跡，應用改進初始相位矢量(mipv)等效不平衡響應進行槳扇發(fā)動機的力和力偶動平衡，使用本方法方法實現(xiàn)各向異性支承下的力和力偶動平衡。提高了槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡效率；屬于槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子故障診斷領域。

背景技術：

1、槳扇發(fā)動機具有耗油率低、推進效率高的典型優(yōu)勢，如安-70運輸機(d-27槳扇發(fā)動機)比同級別噴氣運輸機油耗低20％以上，總體推進效率提高8％-10％，是未來戰(zhàn)略運輸機、遠程轟炸機用發(fā)動機的發(fā)展方向。但槳扇發(fā)動機的突出問題是振動和噪聲大。槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的突出問題是振動和噪聲大，槳扇發(fā)動機復雜結(jié)構(gòu)導致轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)剛度各向異性，造成動平衡效率低。因此，迫切需要開展慮及支承各項異性特征的槳扇發(fā)動機動平衡方法研究。

2、旋轉(zhuǎn)機械動平衡方法主要有影響系數(shù)法、模態(tài)平衡法、以及在此基礎上的改進平衡方法，適用于不同領域。但這些研究多是基于剛度各向同性假設，并采用單一測點振動進行動平衡。然而，槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)帶來的各項異性特征，導致轉(zhuǎn)子在徑向的水平及垂直測點、軸向不同測點的振動差異顯著，難以開展有效的動平衡。此外，常規(guī)軸心軌跡動平衡方法采用兩個互相垂直安裝的振動傳感器完整獲取轉(zhuǎn)軸徑向水平及垂直方向的二維軸心軌跡。但這種采集方式只考慮了徑向兩互相垂直方向的振動，未考慮軸向不同測點的振動差異，且不能檢測力偶不平衡，不能有效平衡力偶不平衡。

3、改進初始相位矢量(mipv)可以避免槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子剛度各向異性導致的初始相位矢量(ipv)穩(wěn)定性差的問題。mipv可以把槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的非線性橢圓軸心軌跡進行線性歸一處理，從而線性表出各向異性支承下的振動軸心軌跡，應用mipv等效不平衡響應進行槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的力和力偶不平衡。本發(fā)明使用mems三軸振動加速度傳感器實現(xiàn)有限測點下三維振動的實時監(jiān)測，提高測量效率，有利于在真實槳扇發(fā)動機上推廣應用。

4、針對槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動平衡方法中，公開號為[cn117147057a]的專利提出‘基于mems三軸振動加速度傳感器的對轉(zhuǎn)槳扇軸心軌跡重構(gòu)方法’，此方法通過拍振解拍的方式辨識兩測點對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機內(nèi)、外轉(zhuǎn)子水平和豎直方向的幅值和相位，通過初始相位差判斷力和力偶的存在狀態(tài)，通過主振矢等效不平衡響應進行動平衡，并判斷對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機的運行狀態(tài)是否平穩(wěn)。而本方法使用改進的初始相位矢量(mipv)等效槳扇發(fā)動機的不平衡響應，從而線性表示出各向異性支承下的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的不平衡響應。本方法針對的是系統(tǒng)中同時存在力和力偶不平衡的混合形式不平衡，本方法可以將混合形式不平衡分解為力不平衡和力偶不平衡，從而分別抑制各向異性支撐特性下的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子中的力和力偶不平衡。此外，本方法能同時監(jiān)測槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子徑向水平及豎直測點、軸向兩固定軸承支座測點的不平衡振動，能同時抑制槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子徑向水平及豎直測點、軸向兩固定軸承支座測點的不平衡振動。

5、在基于軸心軌跡的動平衡方法中，公開號為[cn101907089a]的專利提出‘一種基于三維空間軸心軌跡的壓縮機軸系故障診斷方法’，該方法使用三個電渦流傳感器測量單一測點三個方向的振動信號，將三個信號瞬時幅值一一對應形成三維軸心軌跡。而本專利是將兩固定軸承支座平面的二維軸心軌跡以直線相連接的方式形成的三維軸心軌跡。公開號為[cn101387575]的專利提出一種‘一種轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)故障全信息分析方法及裝置’。公開號為[cn114897017a]的專利提出‘一種旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的軸心軌跡識別方法及裝置’。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術目的在于提出一種基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法。首先，采用mems三軸振動加速度傳感器實時提取槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子在徑向水平及垂直測點、軸向兩固定軸承支座測點的基頻振動信號，將兩固定軸承支座測點的徑向水平及豎直方向的振動信號分別合成二維軸心軌跡，然后，將兩固定軸承支座測點的二維軸心軌跡合成三維軸心軌跡。其次，將基頻橢圓軸心軌跡轉(zhuǎn)換為基頻圓形軸心軌跡，通過對比添加試重質(zhì)量前后ipv在基頻橢圓軸心軌跡和mipv在基頻圓形軸心軌跡中掃過的面積，得出mipv的幅值和相位。最后，用mipv表征槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的不平衡響應，計算出不平衡響應中的力和力偶分量，計算出槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶平衡質(zhì)量，計算出加在槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的兩個配重盤上的配重質(zhì)量，同時進行槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的力和力偶動平衡。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法，具體包括以下步驟：

4、步驟1、模擬某型槳扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)搭建槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗臺，驗證基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法。采用電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器直連驅(qū)動電機。通過自主開發(fā)的轉(zhuǎn)子電機控制程序自由控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子工況的模擬。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍0～3700rpm，涵蓋所需測試轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子上裝配兩個配重盤，配重半徑為206mm，每個盤上有24個均勻分布的螺紋孔，用以施加模擬力和力偶不平衡的配重塊。

5、步驟2、振動采集系統(tǒng)包括一個光電傳感器、兩個mems三軸加速度傳感器、一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、一臺上位機和信號處理軟件。光電傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和鍵相，兩個mems傳感器分別粘接在兩固定支撐軸承座上，采集槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子水平及垂直方向的基頻振動信號?；l振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進入上位機軟件，采用labview和matlab軟件編程實現(xiàn)基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡。

6、步驟3、左測點固定軸承支座的平面e1中，使用mems傳感器在固定軸承支座平面上測得的徑向水平及垂直方向基頻振動信號合成基頻橢圓軸心軌跡。第i段基頻振動信號表示為：

7、

8、式(1)變化為：

9、

10、其中sxi和cxi為基頻振動信號xi的正弦和余弦系數(shù)，syi和cyi為基頻振動信號yi的正弦和余弦系數(shù),sxi、cxi、syi、cyi分別為：

11、

12、基頻橢圓軸心軌跡的長軸p、短軸q分別表示為：

13、

14、式中m＝sx2+cx2+sy2+cy2，n＝2cxsy-2sxcy。從動力學的角度看，基頻橢圓軸心軌跡的面積代表了該平面內(nèi)的不平衡振動能量，為了保持基頻橢圓軸心軌跡的總面積不變，將其轉(zhuǎn)換為基頻圓形軸心軌跡。定義基頻圓形軸心軌跡的半徑如下：

15、

16、則mipv的幅值為r，mipv的相位β可通過添加試重質(zhì)量前后ipv的變化量計算得出。添加試重質(zhì)量后基頻橢圓軸心軌跡中的ipv從變?yōu)棣?、φ2分別為ipv為和時的相位，ipv的相位變化量為δφ，該相位變化掃過的面積為：

17、

18、在基頻圓形軸心軌跡中，mipv掃過的面積表示為：

19、

20、根據(jù)s1＝s2，可計算出δγ為:

21、

22、由此，mipv在添加試重前后的相位β1和β2可以分別表示為：

23、

24、對以右測點固定軸承支座的平面e2的mipv的幅值和相位的提取過程與左測點相同。

25、步驟5：用mipv表征槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的不平衡響應，進行槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡。

26、在兩固定軸承支座平面e1、e2中，計算出原始不平衡響應分別為mipv1和mipv2，在槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗臺的配重盤d1、d2上同時加重和加重引起的不平衡力f1和f2，會與原有的不平衡力p1和p2合成為殘余不平衡力f1和f2，f1和f2可分解為一對大小相等、方向相同的對稱力fs，以及一對大小相等、方向相反的反對稱力fc1和fc2，對稱力fs、反對稱力fc1和fc2分別對應系統(tǒng)中的力不平衡和力偶不平衡。

27、測得平面e1、e2的試重不平衡響應為mipv3和mipv4。平面e1、e2上由加重和導致的振動變化量δc和δd分別為：

28、

29、振動變化量的對稱分量as和反對稱分量ad分別為：

30、

31、|as|、|ad|分別表示振動變化量的對稱分量幅值和反對稱分量的幅值，α、β表示相位。as、ad分別由加重質(zhì)量和中的對稱加重質(zhì)量和反對稱加重質(zhì)量引起。

32、力平衡加重ms和力偶平衡加重md分別為：

33、

34、根據(jù)公式(19)計算出，在配重盤d1、d2上應加的配平質(zhì)量qo1、qo2為：

35、

36、基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法能有效抑制具有剛度各向異性特征的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子在徑向水平及垂直方向測點、以及軸向兩測點的力和力偶不平衡振動。

37、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

38、1、本方法實現(xiàn)有限測點下三維振動的實時監(jiān)測，大大提高了測量效率，有利于在真實發(fā)動機上推廣應用。本方法還能同時監(jiān)測力不平衡響應和力偶不平衡響應。

39、2、本發(fā)明考慮槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各向異性特征，通過mipv將槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的非線性橢圓軸心軌跡進行線性歸一處理，從而線性表出各向異性支承下的振動軸心軌跡，且同時考慮了軸向不同測點的振動差異。

40、3、針對槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中力和力偶不平衡同時存在的混合形式不平衡故障，提出的基于mipv表征不平衡響應的槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子力和力偶動平衡方法，本方法已通過槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子模擬試驗臺證明其有效性，能同時平衡系統(tǒng)中的不平衡力和力偶，以達到更精確的效果。

41、4、通過實驗對比傳統(tǒng)諧分量和雙面影響系數(shù)法的動平衡效果，可以看出，本方法通過使用mipv等效槳扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的不平衡響應，動平衡降振效果明顯提升。

42、5、對于大型旋轉(zhuǎn)機械而言，機組啟停一次的經(jīng)濟成本較高，實施動平衡時亟需在盡可能少的啟動次數(shù)中達到最佳效果。與雙平面影響系數(shù)方法等需要添加兩次以上試重的動平衡方法相比，本方法僅需添加一次試重即可使兩固定軸承支座平面的振動幅值顯著降低，提高了動平衡效率。