CN106599387A - 发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法，用于解决现有发动机壳体振动概貌图的构建方法实用性差的技术问题。技术方案是首先采用统一转速、稳态固支的方式，分次测量被测设备在各个区域的振动信息；其次综合各测点在壳体上的位置信息对测量获得的原始振动信息进行补偿计算，并利用此数据计算各测点在某一中心频率下的三分之一倍频程振动数值；再根据壳体外形结构建立三维模型，并依照实际分布情况建立测点分布模型；最终遵循测点坐标与测量顺序，将多个以区域表面振动矩阵拼接，使存在的振动信息转化为可完整表达壳体振动特性的矩阵，并将其中数据与壳体模型的测点一一对应，建立三维振动概貌图模型，实用性好。

Description

发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法

技术领域

本发明涉及一种发动机壳体振动概貌图的构建方法，特别涉及一种发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法。

背景技术

筒状发动机具有结构紧凑、体积比功率大等优点，在飞机、火箭、舰船、水下航行器等运载工具上被广泛使用，被视为整机的“心脏”。随着机械载体的功能要求不断提高，需要在大幅提高发动机功率的同时，严格控制甚至降低噪声，提高隐身性能。

筒状发动机壳体的表面积较大，由于壳体和多个液压管路、隔振圈等连接，不同位置的振动特性差别很大，长时间的恶劣工况会加速内部各组件的磨损与老化，非常有必要在壳体上尽可能密的布置振动测量点并对测试信号进行处理。

发表在《鱼雷技术》杂志2013年第6期的论文《动力装置振动测量结果不一致性分析》，利用置换分析法和1/3倍频程变工况分析法进行了深入分析，将加速度传感器采集的振动特性数字化，为正确评判动力装置振动和完善振动测量标准提供了试验依据。但不可忽视的是，其分析结果的2维曲线形式仅能描述指定测点在整个分析频段内的振动特性，无法从宏观角度构建被测物的完全振动情况。如何以图像的形式直观、清晰地反映出壳体振动的分布特征，为发动机的减振降噪提供基础信息，成为了该研究领域内新的突破方向。然而接触式测振系统受不规则表面、壳体发热、数采器物理通道数限制和接触式传感器附加质量等多项问题的影响，无法同时测量成千上万点的振动。基于多普勒技术的激光测振设备已经在国外相关研究工作中得到了广泛使用，其可布置测点多、抗干扰能力强、无附加质量的优异性能为特殊研究对象的测量开辟了新的可能。然而获取的原始数据并不具备显式的表述能力，一套切实可行的数据信息处理方法是十分必要的。

截至目前，激光测振技术在国内的应用仍处在小范围推广阶段，可借鉴的数据处理技术还比较缺乏，特别是关于建立可视化三维振动信息的方法更是凤毛麟角。2015年中船重工集团第705研究所的智力成果报告——《一种在固支运转条件下测量鱼雷动力装置壳体振动全貌的方法》中，曾提出了以发动机试车台拖动动力系统工作来模拟其壳体工作状态下的振动，分次分区域进行激光测振，完成壳体振动全貌测试的方法，解决了在固支、运转条件下全面、安全地测量筒状发动机壳体振动的难题，但每次的测量结果只能代表一个曲面的振动分布。但此报告没有给出不同曲面的振动图形进行合成的方法，因此无法反映发动机壳体振动的三维分布。

发明内容

为了克服现有发动机壳体振动概貌图的构建方法实用性差的不足。本发明提供一种发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法。该方法首先采用统一转速、稳态固支的方式，分次测量被测设备在各个区域的振动信息；其次综合各测点在壳体上的位置信息对测量获得的原始振动信息进行补偿计算，并利用此数据计算各测点在某一中心频率下的三分之一倍频程振动数值；再根据壳体外形结构建立三维模型，并依照实际分布情况建立测点分布模型；最终遵循测点坐标与测量顺序，将多个以区域表面振动矩阵拼接，使存在的振动信息转化为可完整表达壳体振动特性的矩阵，并将其中数据与壳体模型的测点一一对应，建立三维振动概貌图模型，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、设激光头共分n次完成对整个壳体表面的扫描，每次采集所得的原始数据为每个区域下各点的一组时域数列其中n(i)表示第n个面的第i个测点；

步骤二、由于时域信息无法直观的显示各测点的振动特性，则通过FFT变换得到频域信息

步骤三、设激光头所测筒状发动机的半径为r，第n个测试表面的垂直距离为S_n，第i测点到轴向中心的长度为L_n(i)，测点与法线的夹角为α_n(i)，则根据测点位置关系分别有径向补偿系数A_n(i)和轴向补偿系数B_n(i)。

步骤四、由此计算求得补偿后的频域幅值X_n(i)(f)，表示为

步骤五、在采样时间T内共采样N个点，则功率谱密度S_n(i)(f)由频域分布计算得到，

步骤六、则1/3倍频程在中心频率为f_c的第h频段[f_L，f_H]内数据的平均值为，

式中，W为第h频段内的谱线个数。

f_c取国际标准化组织ISO推荐的标准值，f_l和f_h根据下式计算

若a₀为零分贝基准值，则a_h的级值为

L_h＝20log(a_h/a₀) (8)

步骤七、根据测点位置分布，将j个测量面的测点振动级值构成分布矩阵C_j(P×Q)，j＝1,...,n，

其中矩阵元素为各测点在某中心频率下的能级C_j(p，q)＝L_h；

步骤八、根据壳体表面测量顺序，将各测量面的分布矩阵合成为壳体振动分布矩阵C，

C＝[C₁，...，C_j] (10)

步骤九、由于网格振动能级幅值位于四个节点之间，坐标分布满足以下关系，

根据所建立的圆柱三维数学表达式，根据试验中测点的分布情况确定模型中对应的坐标点，

其中：θ表示圆柱表面各点中心角。

每个测试面位置点坐标总数amount满足

amount＝Q*P+Q+P-1 (13)

步骤十、将壳体振动分布矩阵C内元素与圆柱模型坐标点对应得到振动概貌图。

本发明的有益效果是：该方法首先采用统一转速、稳态固支的方式，分次测量被测设备在各个区域的振动信息；其次综合各测点在壳体上的位置信息对测量获得的原始振动信息进行补偿计算，并利用此数据计算各测点在某一中心频率下的三分之一倍频程振动数值；再根据壳体外形结构建立三维模型，并依照实际分布情况建立测点分布模型；最终遵循测点坐标与测量顺序，将多个以区域表面振动矩阵拼接，使存在的振动信息转化为可完整表达壳体振动特性的矩阵，并将其中数据与壳体模型的测点一一对应，建立三维振动概貌图模型，实用性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法的流程图。

图2是本发明方法的补偿算法中壳体轴向参数示意图。

图3是本发明方法的补偿算法中壳体径向参数示意图。

具体实施方式

参照图1-3。本实施例是对带有壳体的筒状发动机，采用电机冷态拖动方式模拟运行工况，采用激光面振仪获取的振动数据。测试中由于受到固支方式的限制，将测量对象(发动机壳体)均分为4个面，分4次分别采集同一转速下的壳体振动数据，并以此为原始信息分析合成壳体振动概貌图，发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法具体步骤如下：

a.设激光头共分n次完成对整个壳体表面的扫描，每次采集所得的原始数据为每个区域下各点的一组时域数列其中n(i)表示第n个面的第i个测点；

b.由于时域信息无法直观的显示各测点的振动特性，可通过FFT变换得到频域信息

c.设激光头所测筒状发动机的半径为r，第n个测试表面的垂直距离为S_n，第i测点到轴向中心的长度为L_n(i)，测点与法线的夹角为α_n(i)，则根据测点位置关系分别有径向补偿系数A_n(i)和轴向补偿系数B_n(i)。

d.由此可计算求得补偿后的频域幅值可表示为

e.在采样时间T内共采样N个点，则功率谱密度S_n(i)(f)可由频域分布计算得到：

f.则1/3倍频程在中心频率为f_c的第h频段[f_L，f_H]内数据的平均值为

式中，W为第h频段内的谱线个数。

f_c取国际标准化组织ISO推荐的标准值，f_l和f_h根据下式计算

若a₀为零分贝基准值，则a_h的级值为

L_h＝20log(a_h/a₀) (8)

g.根据测点位置分布，将j个测量面的测点振动级值构成分布矩阵C_j(P×Q)(j＝1,...,n)，

其中矩阵元素为各测点在某中心频率下的能级C_j(p，q)＝L_h；

h.根据壳体表面测量顺序，将各测量面的分布矩阵合成为壳体振动分布矩阵C

C＝[C₁，...，C_j] (10)

i.由于网格振动能级幅值位于四个节点之间，坐标分布满足以下关系

根据所建立的圆柱三维数学表达式，可将根据试验中测点的分布情况确定模型中对应的坐标点

其中：θ表示圆柱表面各点中心角。

每个测试面位置点坐标总数amount应满足

amount＝Q*P+Q+P-1 (13)

j.将壳体振动分布矩阵C内元素与圆柱模型坐标点对应得到振动概貌图。

相比较于获取的原始振动数据，结合被测物物理结构，经过补偿、换算建立起来的振动概貌图具有更好的可读性，鲜明的反映出被测物在试验条件下其自身的振动特点，为优化结构设计、深化激光测试理论研究提供了可借鉴的经验。

Claims (1)

1.一种发动机壳体振动概貌图的综合化构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设激光头共分n次完成对整个壳体表面的扫描，每次采集所得的原始数据为每个区域下各点的一组时域数列其中n(i)表示第n个面的第i个测点；

步骤二、由于时域信息无法直观的显示各测点的振动特性，则通过FFT变换得到频域信息

${\hat{X}}_{n\left(i\right)}\left(f\right)={\∫}_0^T{\hat{x}}_{n\left(i\right)}\left(t\right)e^{-2j\mathrm{\π}ft}dt---\left(1\right)$

步骤三、设激光头所测筒状发动机的半径为r，第n个测试表面的垂直距离为S_n，第i测点到轴向中心的长度为L_n(i)，测点与法线的夹角为α_n(i)，则根据测点位置关系分别有径向补偿系数A_n(i)和轴向补偿系数B_n(i)；

$A_{n\left(i\right)}=\frac{\sqrt{{L_{n\left(i\right)}}^2+{S_n}^2}}{s_n}---\left(2\right)$

$B_{n\left(i\right)}=\frac{S_n}{\sqrt{{S_n}^2-2r^2{\sin }^2{\mathrm{\α}}_{n\left(i\right)}}}---\left(3\right)$

步骤四、由此计算求得补偿后的频域幅值X_n(i)(f)，表示为

$X_{n\left(i\right)}\left(f\right)=A_{n\left(i\right)}\·B_{n\left(i\right)}\·{\hat{X}}_{n\left(i\right)}\left(f\right)---\left(4\right)$

步骤五、在采样时间T内共采样N个点，则功率谱密度S_n(i)(f)由频域分布计算得到，

$S_{n\left(i\right)}\left(f\right)=\frac{1}{N}{\left|X_{n\left(i\right)}\left(f\right)\right|}^2---\left(5\right)$

步骤六、则1/3倍频程在中心频率为f_c的第h频段[f_L，f_H]内数据的平均值为，

$a_h=\sqrt{\frac{1}{W}}{\mathrm{\Σ}}_{q=1}^W{S^2}_{n\left(i\right)}\left(f\right)---\left(6\right)$

式中，W为第h频段内的谱线个数；

f_c取国际标准化组织ISO推荐的标准值，f_l和f_h根据下式计算

$\left\{\begin{array}{c}{f}_c=\sqrt{f_l*f_h}\\ f_h/f_l=2^{1/n}\end{array}\right.---\left(7\right)$

若a₀为零分贝基准值，则a_h的级值为

L_h＝20log(a_h/a₀) (8)

步骤七、根据测点位置分布，将j个测量面的测点振动级值构成分布矩阵Cj(P×Q)，j＝1,...,n，

其中矩阵元素为各测点在某中心频率下的能级C_j(p，q)＝L_h；

步骤八、根据壳体表面测量顺序，将各测量面的分布矩阵合成为壳体振动分布矩阵C，

C＝[C₁，...，C_j] (10)

步骤九、由于网格振动能级幅值位于四个节点之间，坐标分布满足以下关系，

$\begin{array}{ccc}(p,q)& -& (p,q+1)\\ |& C(p,q)& |\\ (p+1,q)& -& (p+1,q+1)\end{array}---\left(11\right)$

根据所建立的圆柱三维数学表达式，根据试验中测点的分布情况确定模型中对应的坐标点，

$\left\{\begin{array}{c}x=r*\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=r*\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ z=z\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中：θ表示圆柱表面各点中心角；

每个测试面位置点坐标总数amount满足

amount＝Q*P+Q+P-1 (13)

步骤十、将壳体振动分布矩阵C内元素与圆柱模型坐标点对应得到振动概貌图。