CN108318200A - 一种叶片静态振动频率测试系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片静态振动频率测试系统及其使用方法。所述测试系统包括装夹工装、压电陶瓷片激振子系统、麦克风声学拾振子系统和频谱分析仪；其中，装夹工装用于对测试叶片的叶根进行夹持固定；压电陶瓷片激振子系统主要由压电陶瓷片、驱动控制器和信号发生器组成，压电陶瓷片激振子系统用于以交变应力带动测试叶片振动；麦克风声学拾振子系统主要由麦克风传感器和信号调理器组成，麦克风声学拾振子系统用于拾取测试叶片的振动声波信号；频谱分析仪用于采集测试叶片的振动信号并对其进行对应的频谱分析，以获取测试叶片的自振频率。本发明既能够实现自振频率数万赫兹的叶片静态振动频率测试，又能有效确保叶片自振频率测试具有可靠地准确性。

Description

一种叶片静态振动频率测试系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及物体的振动频率测试技术，具体是一种叶片静态振动频率测试系统，以及该测试系统的使用方法。

背景技术

透平设备的动叶片在运行中，需要承受因旋转而引起的机械离心力与气流作用力，而气流作用力中包含有两部分力，一部分是正常热力过程中的作用力，另一部分是由于气流不均匀所引起的交变力。动叶片在交变力的作用下会产生动应力。当动叶片的自振频率与激振力频率合拍时就会发生共振，从而使动叶片的振动幅值与动应力很大，经过长期运行，这种周期循环应力会使动叶片产生疲劳损坏。因此，通常应避免动叶片在正常工作中出现共振现象，这就需要对设计制造出的动叶片进行振动频率测试以控制动叶片的自振频率。由此可见，动叶片的静态振动频率测试，是有效避免动叶片在正常工作中出现共振现象的一项必要技术任务。

叶片静态振动频率测试的技术原理主要是，先将需要测试的叶片通过装夹工装以模拟正常工作时的紧固状态的方式进行夹持固定，再对装夹好的叶片施加激振力、并拾取受激励叶片的振动信号，然后将叶片的振动信号通过频谱分析仪进行分析处理，辨识获取叶片的自振频率。目前，叶片静态振动频率测试主要是以力锤敲击叶片施加激振力和加速度传感器拾取叶片振动信号的技术措施实现的，其存在如下主要技术问题：

1. 为了获得较宽范围内的激励频率，需要力锤的锤头具有足够大的硬度，即锤头硬度和激励频率的范围基本成正比关系，如此，较硬的锤头会较容易的损伤叶片；而且，力锤激振的测试频率范围一般在5kHz范围内，其无法激振测试上万赫兹的自振频率，自振频率高达上万赫兹的叶片主要是一些轮廓尺寸呈宽、短特性的动叶片-例如压气机用动叶片等；

2. 为了拾取叶片振动信号，加速度传感器是粘贴布置于叶片的振动幅度明显区域内的，即加速度传感器和叶片在测试中是以一体化振动的，这对于尺寸较大、重量较重的叶片而言，加速度传感器的质量对叶片振动频率的影响较小，在一定程度上可以忽略，但是，对于叶片尺寸较小、重量较轻的叶片-例如轮廓尺寸呈宽、短特性的动叶片而言，加速度传感器在叶片上所形成的附加质量会引起叶片自振频率发生很大的改变，进而影响测试的准确性；

综上所述，现有以力锤敲击叶片施加激振力和加速度传感器拾取叶片振动信号的叶片静态振动频率测试技术，其存在难以激励出叶片高频振动、且拾振引起附加质量对自振频率测试准确性造成直接影响等技术问题，从而满足不了自振频率高达上万赫兹的叶片（特别是轮廓尺寸呈宽、短特性的动叶片）的静态振动频率测试的技术要求。

发明内容

本发明的技术目的在于：针对上述叶片静态振动频率测试的特殊性和现有测试技术的不足，提供一种既能实现自振频率数万赫兹的叶片静态振动频率测试，又不会因拾振而对测试叶片引起附加质量，能够确保叶片自振频率测试具有可靠地准确性的叶片静态振动频率测试系统，以及该测试系统的使用方法。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种叶片静态振动频率测试系统，所述测试系统包括：

-装夹工装，所述装夹工装用于以液压顶紧力对测试叶片的叶根进行夹持固定；

-压电陶瓷片激振子系统，所述压电陶瓷片激振子系统主要由压电陶瓷片、驱动控制器和信号发生器组成，所述压电陶瓷片布置于测试叶片的应力测试区域内，所述信号发生器用于向驱动控制器输出控制信号、或者用于向驱动控制器和频谱分析仪同步输出控制信号，所述驱动控制器用于驱动压电陶瓷片产生能够带动测试叶片振动的交变应力；

-麦克风声学拾振子系统，所述麦克风声学拾振子系统主要由麦克风传感器和信号调理器组成，所述麦克风传感器以靠近测试叶片叶顶区域的位置布置，所述麦克风传感器用于拾取测试叶片的振动声波信号，所述信号调理器用于将所述麦克风传感器拾取的振动声波信号进行放大处理后输出给频谱分析仪；

-频谱分析仪，所述频谱分析仪用于采集麦克风声学拾振子系统输出的信号、或者用于采集压电陶瓷片激振子系统和麦克风声学拾振子系统输出的信号，所述频谱分析仪将所采集的信号进行对应的频谱分析，以获取测试叶片的自振频率。

作为优选方案之一，所述装夹工装主要由夹持工装、减震台和液压缸组成，所述夹持工装上开设有匹配测试叶片的叶根轮廓结构的叶根槽，所述叶根槽下方的夹持工装内开设有与叶根槽贯通的液压缸安装腔室，所述夹持工装通过多根联接螺栓固定在减震台上，所述减震台通过减震器安装在基础上，所述液压缸安装在所述夹持工装的液压缸安装腔室内，所述液压缸的活塞杆朝向所述夹持工装上的叶根槽，所述测试叶片在装夹工装上装夹固定时，测试叶片的叶根对应嵌装在夹持工装的叶根槽内，并由叶根槽下方的液压缸通过活塞杆将测试叶片在夹持工装上顶紧。进一步的，所述液压缸的活塞杆与夹持工装上所夹持的测试叶片的叶根之间，设有能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件，由所述顶力传递件将液压缸的顶紧力传递给测试叶片的叶根。

作为优选方案之一，所述压电陶瓷片激振子系统的压电陶瓷片以快干胶粘贴布置于测试叶片的应力较大区域内。

作为优选方案之一，所述麦克风声学拾振子系统的麦克风传感器在测试叶片叶顶区域的布置位置中，所述麦克风传感器的端面距离测试叶片的距离为5～10mm。

一种上述叶片静态振动频率测试系统的使用方法，所述使用方法包括如下技术措施：

-以压电陶瓷片激振子系统的信号发生器向驱动控制器输出白噪声信号或正弦扫频信号，使驱动控制器对应的驱动压电陶瓷片，以使压电陶瓷片带动测试叶片在较高频率范围内振动；

-频谱分析仪对麦克风声学拾振子系统输出的测试叶片的振动声波信号进行FFT分析处理，依据振动幅值的峰值所对应的频率，获取测试叶片的自振频率。

另一种上述叶片静态振动频率测试系统的使用方法，所述使用方法包括如下技术措施：

-以频谱分析仪的CH1通道采集压电陶瓷片激振子系统的信号发生器所输出的白噪声信号或正弦扫频信号；

-以频谱分析仪的CH2通道采集麦克风声学拾振子系统所采集的测试叶片的振动声波信号；

-频谱分析仪以CH1通道和CH2通道所采集的信号，分析得到测试传递函数，依据测试传递函数的幅值-频率曲线上的峰值所对应的频率，获取测试叶片的自振频率。

本发明的有益技术效果是：

1. 本发明对测试叶片以压电陶瓷片作为振动激励、以麦克风声学传感器作为非接触式的振动信号拾取，有效解决了现有力锤激励技术难以激励出叶片高频振动的技术问题，亦有效解决了现有加速度传感器拾振所引起的附加质量对自振频率测试准确性直接影响的技术问题，也就是说，本发明既能够实现自振频率数万赫兹的叶片静态振动频率测试，又不会因拾振而对测试叶片引起附加质量，从而能够有效确保叶片自振频率测试具有可靠地准确性，能够可靠地满足自振频率高达上万赫兹的叶片-特别是轮廓尺寸呈宽、短特性的动叶片的测试技术要求；

2. 本发明的装夹工装对测试叶片的夹持固定结构，能够有效地真实模拟出测试叶片在正常工作时的紧固状态，从而有利于保障测试叶片自振频率测试的准确性。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图。

图2是本发明对测试叶片的装夹结构的示意图。

图中代号含义：1—夹持工装；2—联接螺栓；3—减震台；4—测试叶片；5—顶力传递件；6—液压缸；7—减震器；8—活塞杆；9—信号发生器；10—驱动控制器；11—压电陶瓷片；12—麦克风传感器；13—信号调理器；14—频谱分析仪。

具体实施方式

本发明涉及物体的振动频率测试技术，具体是一种叶片静态振动频率测试系统，以及该测试系统的使用方法。下面以多个实施例对本发明的技术内容进行清楚、详细的说明，其中，实施例1结合说明书附图-即图1和图2对本发明的技术内容进行详细、清楚地说明，其它实施例虽未单独绘制附图，但其主体结构仍可参照实施例1的附图。

实施例1

参见图1和图2所示，本发明包括装夹工装、压电陶瓷片激振子系统、麦克风声学拾振子系统和频谱分析仪14。

其中，装夹工装用于以液压顶紧力对测试叶片4的叶根进行夹持固定。具体的，装夹工装如图2所示，其主要由夹持工装1、减震台3和液压缸6组成。夹持工装1的刚度远大于测试叶片4的刚度，夹持工装1与减震台3为分离体结构，夹持工装1的顶面和底面分别为平面结构；夹持工装1的顶面中心处开设有匹配测试叶片4的叶根轮廓结构的叶根槽，即每个夹持工装1匹配一个规格型号的测试叶片，通过更换不同的夹持工装可以实现对不同规格型号的测试叶片的夹持固定，前述叶根槽下方的夹持工装1内开设有与叶根槽贯通的液压缸安装腔室；夹持工装1的底面坐落在减震台3上，且夹持工装1通过多根联接螺栓2固定在减震台3上，联接螺栓2的刚度远大于测试叶片4的刚度。减震台3通过减震器7安装在基础上。液压缸6安装在夹持工装1的液压缸安装腔室内，当然，液压缸6应当具有配套的液压站和管路等，液压站布置于附近区域、而非夹持工装1内，液压站和液压缸6通过管路连接；液压缸6的活塞杆8朝向夹持工装1上的叶根槽，活塞杆8上连接有一根能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件5。测试叶片4在装夹工装上进行装夹固定时，测试叶片4的叶根对应嵌装在夹持工装1的叶根槽内，叶根槽下方的液压缸6通过活塞杆8向上施加顶紧力，该顶紧力由处在活塞杆8与夹持工装1上所夹持的测试叶片4的叶根之间、且能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件5传递，即由顶力传递件5将液压缸6的顶紧力传递给测试叶片4的叶根，从而使测试叶片4的叶根在夹持工装1上所受的夹持力与正常工作时叶根受到的约束相同。

压电陶瓷片激振子系统主要由压电陶瓷片11、驱动控制器10和信号发生器9组成。压电陶瓷片11以快干胶粘贴布置于测试叶片4的应力较大区域内，各组件以接线连接。信号发生器9用于向驱动控制器10和频谱分析仪14同步输出控制信号。驱动控制器10用于驱动压电陶瓷片11产生能够带动测试叶片4振动的交变应力。压电陶瓷片激振子系统是利用压电陶瓷片的逆压电性来产生激励力的，即X=dtE，式中，dt为逆压电应变常数、E为外加电场、X为应变；对压电陶瓷片施加交变电场，则压电陶瓷片产生交变应力，从而获得不同频率的激振力。前述粘贴于测试叶片上的压电陶瓷片的重量极轻，小于1克，其粘贴位置处在叶片应力较大、振动幅度较小的位置，惯性质量微小，可以忽略其对叶片自振频率的影响。

麦克风声学拾振子系统主要由麦克风传感器12和信号调理器13组成。麦克风传感器12以靠近测试叶片4叶顶区域的位置布置，在该布置位置中，麦克风传感器12的端面距离测试叶片4的距离为5～10mm，例如5mm、7mm、8.5mm或10mm等；麦克风传感器12用于拾取测试叶片4的振动声波信号。信号调理器13用于将麦克风传感器12拾取的振动声波信号进行放大处理后输出给频谱分析仪14。

频谱分析仪14用于采集压电陶瓷片激振子系统和麦克风声学拾振子系统输出的信号，频谱分析仪14将所采集的信号进行对应的频谱分析，以获取测试叶片4的自振频率。

上述测试系统的使用方法包括如下技术措施：

-以频谱分析仪14的CH1通道采集压电陶瓷片激振子系统的信号发生器9所输出的白噪声信号（或者为正弦扫频信号）；

-以频谱分析仪14的CH2通道采集麦克风声学拾振子系统所采集的测试叶片4的振动声波信号；

-频谱分析仪14以CH1通道和CH2通道所采集的信号，分析得到测试传递函数，依据测试传递函数的幅值-频率曲线上的峰值所对应的频率，获取测试叶片4的自振频率。

现对上述使用方法以测试频谱范围为0～10kHz的动叶片振动频率测试过程为例，进行具体的说明：

-要求压电陶瓷片的驱动控制器、信号发生器、以及频谱分析仪的频率分析范围皆满足有效频率分析范围大于10kHz；估计动叶片所需激振力的大小，而选用合适的压电陶瓷片与驱动控制器放大倍数；

-用快干胶在叶片应力较大区域粘贴压电陶瓷片，连接压电陶瓷片激振子系统的信号接线；

-将麦克风传感器安装于测试叶片的叶顶附近，麦克风传感器的端面距离测试叶片的距离为5～10mm，连接麦克风声学拾振子系统的信号接线；

-按使用要求，对频谱分析仪进行采集设置，可设定同时进行传递函数与相干系数的显示；

-将驱动控制器的放大倍数置于最小，使信号发生器输出白噪声信号（或正弦扫频信号）；

-逐渐调整驱动控制器的放大倍数，使叶片有明显的振动；

-频谱分析仪采集信号发生器输出的信号和叶片的振动信号，依据传递函数与相干系数曲线，辨识叶片的自振频率；

-在以上过程中初步确定了叶片的自振频率，分别在叶片各自振频率附近再调整信号发生器，使其输出慢速正弦扫频信号，再次测试传递函数与相干系数，依据测试曲线精确确定叶片的自振频率。

实施例2

本发明包括装夹工装、压电陶瓷片激振子系统、麦克风声学拾振子系统和频谱分析仪。

其中，装夹工装用于以液压顶紧力对测试叶片的叶根进行夹持固定。具体的，装夹工装主要由夹持工装、减震台和液压缸组成。夹持工装的刚度远大于测试叶片的刚度，夹持工装与减震台为分离体结构，夹持工装的顶面和底面分别为平面结构；夹持工装的顶面中心处开设有匹配测试叶片的叶根轮廓结构的叶根槽，即每个夹持工装匹配一个规格型号的测试叶片，通过更换不同的夹持工装可以实现对不同规格型号的测试叶片的夹持固定，前述叶根槽下方的夹持工装内开设有与叶根槽贯通的液压缸安装腔室；夹持工装的底面坐落在减震台上，且夹持工装通过多根联接螺栓固定在减震台上，联接螺栓的刚度远大于测试叶片的刚度。减震台通过减震器安装在基础上。液压缸安装在夹持工装的液压缸安装腔室内，当然，液压缸应当具有配套的液压站和管路等，液压站布置于附近区域、而非夹持工装内，液压站和液压缸通过管路连接；液压缸的活塞杆朝向夹持工装上的叶根槽，活塞杆上连接有一根能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件。测试叶片在装夹工装上进行装夹固定时，测试叶片的叶根对应嵌装在夹持工装的叶根槽内，叶根槽下方的液压缸通过活塞杆向上施加顶紧力，该顶紧力由处在活塞杆与夹持工装上所夹持的测试叶片的叶根之间、且能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件传递，即由顶力传递件将液压缸的顶紧力传递给测试叶片的叶根，从而使测试叶片的叶根在夹持工装上所受的夹持力与正常工作时叶根受到的约束相同。

压电陶瓷片激振子系统主要由压电陶瓷片、驱动控制器和信号发生器组成。压电陶瓷片以快干胶粘贴布置于测试叶片的应力较大区域内，各组件以接线连接。信号发生器用于向驱动控制器输出控制信号。驱动控制器用于驱动压电陶瓷片产生能够带动测试叶片振动的交变应力。压电陶瓷片激振子系统是利用压电陶瓷片的逆压电性来产生激励力的，即X=dtE，式中，dt为逆压电应变常数、E为外加电场、X为应变；对压电陶瓷片施加交变电场，则压电陶瓷片产生交变应力，从而获得不同频率的激振力。前述粘贴于测试叶片上的压电陶瓷片的重量极轻，小于1克，其粘贴位置处在叶片应力较大、振动幅度较小的位置，惯性质量微小，可以忽略其对叶片自振频率的影响。

麦克风声学拾振子系统主要由麦克风传感器和信号调理器组成。麦克风传感器以靠近测试叶片叶顶区域的位置布置，在该布置位置中，麦克风传感器的端面距离测试叶片的距离为5～10mm，例如5mm、7mm、8.5mm或10mm等；麦克风传感器用于拾取测试叶片的振动声波信号。信号调理器用于将麦克风传感器拾取的振动声波信号进行放大处理后输出给频谱分析仪。

频谱分析仪用于采集麦克风声学拾振子系统输出的信号，频谱分析仪将所采集的信号进行对应的频谱分析，以获取测试叶片的自振频率。

上述测试系统的使用方法包括如下技术措施：

-以压电陶瓷片激振子系统的信号发生器向驱动控制器输出白噪声信号（或者正弦扫频信号），使驱动控制器对应的驱动压电陶瓷片，以使压电陶瓷片带动测试叶片在较高频率范围内振动；

-频谱分析仪仅对麦克风声学拾振子系统输出的测试叶片的振动声波信号进行FFT分析处理，依据振动幅值的峰值所对应的频率，获取测试叶片的自振频率。

以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种叶片静态振动频率测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：

-装夹工装，所述装夹工装用于以液压顶紧力对测试叶片（4）的叶根进行夹持固定；

-压电陶瓷片激振子系统，所述压电陶瓷片激振子系统主要由压电陶瓷片（11）、驱动控制器（10）和信号发生器（9）组成，所述压电陶瓷片（11）布置于测试叶片（4）的应力测试区域内，所述信号发生器（9）用于向驱动控制器（10）输出控制信号、或者用于向驱动控制器（10）和频谱分析仪（14）同步输出控制信号，所述驱动控制器（10）用于驱动压电陶瓷片（11）产生能够带动测试叶片（4）振动的交变应力；

-麦克风声学拾振子系统，所述麦克风声学拾振子系统主要由麦克风传感器（12）和信号调理器（13）组成，所述麦克风传感器（12）以靠近测试叶片（4）叶顶区域的位置布置，所述麦克风传感器（12）用于拾取测试叶片（4）的振动声波信号，所述信号调理器（13）用于将所述麦克风传感器（12）拾取的振动声波信号进行放大处理后输出给频谱分析仪（14）；

-频谱分析仪（14），所述频谱分析仪（14）用于采集麦克风声学拾振子系统输出的信号、或者用于采集压电陶瓷片激振子系统和麦克风声学拾振子系统输出的信号，所述频谱分析仪（14）将所采集的信号进行对应的频谱分析，以获取测试叶片（4）的自振频率。

2.根据权利要求1所述叶片静态振动频率测试系统，其特征在于，所述装夹工装主要由夹持工装（1）、减震台（3）和液压缸（6）组成，所述夹持工装（1）上开设有匹配测试叶片（4）的叶根轮廓结构的叶根槽，所述叶根槽下方的夹持工装（1）内开设有与叶根槽贯通的液压缸安装腔室，所述夹持工装（1）通过多根联接螺栓（2）固定在减震台（3）上，所述减震台（3）通过减震器（7）安装在基础上，所述液压缸（6）安装在所述夹持工装（1）的液压缸安装腔室内，所述液压缸（6）的活塞杆（8）朝向所述夹持工装（1）上的叶根槽，所述测试叶片（4）在装夹工装上装夹固定时，测试叶片（4）的叶根对应嵌装在夹持工装（1）的叶根槽内，并由叶根槽下方的液压缸（6）通过活塞杆（8）将测试叶片（4）在夹持工装（1）上顶紧。

3.根据权利要求2所述叶片静态振动频率测试系统，其特征在于，所述液压缸（6）的活塞杆（8）与夹持工装（1）上所夹持的测试叶片（4）的叶根之间，设有能够穿过叶根槽和液压缸安装腔室之间的贯通空间的顶力传递件（5），由所述顶力传递件（5）将液压缸（6）的顶紧力传递给测试叶片（4）的叶根。

4.根据权利要求1所述叶片静态振动频率测试系统，其特征在于，所述压电陶瓷片激振子系统的压电陶瓷片（11）以快干胶粘贴布置于测试叶片（4）的应力较大区域内。

5.根据权利要求1所述叶片静态振动频率测试系统，其特征在于，所述麦克风声学拾振子系统的麦克风传感器（12）在测试叶片（4）叶顶区域的布置位置中，所述麦克风传感器（12）的端面距离测试叶片（4）的距离为5～10mm。

6.一种权利要求1所述叶片静态振动频率测试系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下技术措施：

-以压电陶瓷片激振子系统的信号发生器向驱动控制器输出白噪声信号或正弦扫频信号，使驱动控制器对应的驱动压电陶瓷片，以使压电陶瓷片带动测试叶片在较高频率范围内振动；

-频谱分析仪对麦克风声学拾振子系统输出的测试叶片的振动声波信号进行FFT分析处理，依据振动幅值的峰值所对应的频率，获取测试叶片的自振频率。

7.一种权利要求1所述叶片静态振动频率测试系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下技术措施：

-以频谱分析仪的CH1通道采集压电陶瓷片激振子系统的信号发生器所输出的白噪声信号或正弦扫频信号；

-以频谱分析仪的CH2通道采集麦克风声学拾振子系统所采集的测试叶片的振动声波信号；

-频谱分析仪以CH1通道和CH2通道所采集的信号，分析得到测试传递函数，依据测试传递函数的幅值-频率曲线上的峰值所对应的频率，获取测试叶片的自振频率。