CN110457730A - 一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法。依据欧拉—贝努力方程完成涡轴发动机外置机匣的运动方程的建立，采用数值求解法计算方程的前4阶特征根，获取各阶的固有频率，并得到与固有频率对应的振型函数，结合压电传感器测量到的信号为应力信息，得到应力与挠度的对应关系公式，然后，引入熵信息理论，在频域内考虑响应信号的各阶频率的信息量，计算各阶频率信息量沿横轴的分布，最终根据分布量获得传感器的最佳测点安装位置。

Description

一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法

技术领域

本发明属于系统测试方法应用领域，具体是一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局的新方法。

背景技术

作为直升机上重要的动力输出系统——涡轴发动机，是直升机上的典型机械旋转系统，是由大量相互联系但工作过程又彼此不同的部件组成，存在着强烈的非线性、非平稳性、不确定性等复杂系统特征，因此，易发生故障，且一旦发生故障，将导致灾难性事故的发生。涡轴发动机主要由转子系统、轴承系统、传动齿轮系统等部件/系统组成，其中各种组件内部靠齿轮及轴进行动力传递。如转子系统包括燃气发生器转子、自由涡轮转子等组成，其工作环境恶劣，且工作强度大，导致转子叶片易发断裂、磨损等多种故障，且状态变化规律难以掌握，性能难以准确预测，所以对涡轴发动机性能状态的监测一直是提高航空武器装备安全运行的一个无法逾越的技术瓶颈，目前最有效的技术手段是涡轴发动机上安装各种不同型号、不同规格的传感器，然而传感器的安装不是随便找个测点进行安装那么简单，且涡轴发动机内部不能安装传感器，仅有外置机匣的相应部位可以安装，再者，根据振动信号的传递规律，信号传递到外置机匣处，其衰减特别厉害，如果安装位置不精确，则有可能导致测量的信息不准确甚至测量不到相应的有用信号，无法实现涡轴发动机的准确监测目标。因此，需要大力开展涡轴发动机外置机匣传感器布局技术，提高涡轴发动机信号采集有效性及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局安装准确性的新方法，提升监测涡轴发动机实时信号的能力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法，包括以下步骤：

步骤1，将涡轴发动机外置机匣视为一段弯曲不规则的横向梁，运用欧拉—贝努力方程建立弯曲横向梁的运动方程；

步骤2，运用数值求解法求取该运动方程的前4阶特征根；

步骤3，获取对应各阶的固有频率，并得到与各阶固有频率对应的振型函数；

步骤4，在发动机外部结构处任意位置贴压电传感器，并通过外部的采集设备采集压电信号，并将压电传感器测量到的信号作为为应力信息，获取应力与挠度的关系；

步骤5，运用熵信息理论，在频域内结合响应信号的各阶频率信息量，计算各阶频率信息量沿弯曲梁的横向的分布，从而确定传感器的位置布局。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明的方法可以快速实现在涡轴发动机上寻找最佳的安装点，从而根据最佳位置，可以实现涡轴发动机的准确监测。(2)该方法简单实用，不仅能够在发动机上，在其他的设备上，也能实现对传感器测点的快速测量与确定。

附图说明

图1是本发明的涡轴发动机外部机匣模拟钢板横向弯曲度的坐标系。

图2为涡轴发动机外置机匣传感器测点模拟试验验证原理示意图。

具体实施方式

本发明的主要实现步骤如下：

步骤1.将涡轴发动机外置机匣看做一段弯曲不规则的横向梁，运用欧拉—贝努力方程，建立弯曲横向梁振动的运动方程；

步骤2.根据数值求解法，求取运动方程的前4阶特征根；

步骤3.获取对应各阶的固有频率，并得到与各阶固有频率对应的振型函数；

步骤4.由压电传感器测量到的信号，得到应力信息与挠度的关系；

步骤5.将熵信息理论引入，在频域内考虑响应信号的各阶频率信息量，计算各阶频率信息量沿轴向的分布，根据应力信息熵大小，熵越大，说明该位置采集到的信号富含的信息越多，最终根据各阶频率信息量可以确定最佳传感器安装位置。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1和2，一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法，由于涡轴发动机的外置机匣是不规则的弯曲梁，将其看做一段弯曲不规则的横向梁，依据欧拉—贝努力方程完成涡轴发动机外置机匣的运动方程的建立，采用数值求解法计算方程的前4阶特征根，获取各阶的固有频率，并得到与固有频率对应的振型函数，结合压电传感器测量到的信号为应力信息，得到应力与挠度的对应关系公式，然后，引入熵信息理论，在频域内考虑响应信号的各阶频率的信息量，计算各阶频率信息量沿横轴的分布，最终根据分布量，可以获得传感器的最佳测点安装位置。

步骤1，将涡轴发动机外置机匣看做一段弯曲不规则的横向梁，根据欧拉—贝努力方程，建立弯曲梁振动的运动方程。各参数及方程建立如下：

假设涡轴发动机的外置机匣为一段弯曲不规则的横向梁，梁长为l，单位长度的质量为ρ，抗弯刚度EI，建立如图1所示的坐标系，坐标x处微元dx在任一时刻的横向力为p(x，t)，弯曲梁振动的运动方程为

当p(x，t)≡0时：

y(x，t)＝Y(x)Y(t) (2)

振型函数为：

Y(x)＝c₁chβx+c₂shβx+c₃cosβx+c₄sinβx (3)

欧拉—贝努力方程完成弯曲横向梁的运动方程，其主要是为了实现将弯曲横向梁的应力分布通过数学公式表达出来，从而根据应力分布最终找出传感器的最佳布局。

步骤2，主要采用数值法求得前4阶特征根：

β₁l＝1.875’ β₂l＝4.694

β₃l＝7.855’ β₄l＝10.966

运用数值求解法完成应力方程的前4阶特征根的计算，其主要是为了得到各阶的固有频率。

步骤3，根据步骤2得到的特征根，获取对应各阶的固有频率，并得到与各阶固有频率对应的振型函数。

对应的各阶固有频率为：

与ωi对应的振型函数为：

Y_i＝(x)＝chβ_ix-cosβ_ix+k_i(shβ_ix-sinβ_ix) (5)

式中：

运用熵信息，主要是为了计算各阶频率信息量沿弯曲梁的横向分布，根据分布量可以确定传感器的最佳布局。

步骤4，由压电传感器测量得到的信号为应力信息，应力与挠度的关系为：

式中：t_b为梁的厚度。

步骤5，引用信息熵的概念，在频域内考虑响应信号的各阶频率信息量，计算各阶频率信息量沿x轴的分布。根据式(2)，上式可以简化为：

式中：k为常量。

根据式(13)，应力信息的概率密度为：

根据式(6)应力信息熵为：

指的是n阶横向力，此时计算出的E(x)即为应力信息熵，其为一组在弯曲梁长度内的变化曲线，找出其峰值点，即为所需要找出的传感器最佳布点。

首先取一块长度为1米的弯曲钢板，由于知道梁长为l，单位长度的质量为ρ，抗弯刚度EI，，则根据上述公式可以计算出应力信息熵。然后，搭建一套以压电传感器为测试信号的应力测试系统，验证系统如图2所示，在计算好的响应位置点安装压电传感器，然后根据压电传感器，完成振动台随机激励对应的信息熵，与计算出来的进行对比，以确定传感器布局方法的准确性。

Claims (5)

1.一种用于涡轴发动机外置机匣传感器布局方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，将涡轴发动机外置机匣视为一段弯曲不规则的横向梁，运用欧拉—贝努力方程建立弯曲横向梁的运动方程；

步骤2，运用数值求解法求取该运动方程的前4阶特征根；

步骤3，获取对应各阶的固有频率，并得到与各阶固有频率对应的振型函数；

步骤4，在发动机外部结构处任意位置安装压电传感器，通过外部的采集设备采集压电信号，并将压电传感器测量到的信号作为应力信息，获取应力与挠度的关系；

步骤5，运用熵信息理论，在频域内结合响应信号的各阶频率信息量，计算各阶频率信息量沿弯曲梁的横向的分布，从而确定传感器的位置布局。

2.根据权利要求1所述的传感器布局方法，其特征在于，步骤1运用欧拉—贝努力方程建立弯曲横向梁的运动方程的具体方法如下：

设涡轴发动机的外置机匣为一段弯曲不规则的横向梁，梁长为l，单位长度的质量为ρ，抗弯刚度EI，建立单位长度内横向力坐标系，坐标x处微元dx在任一时刻的横向力为p(x，t)，弯曲梁振动的运动方程为

式中，x和y代表的是单位长和对应的横向力；

当p(x，t)≡0时：

y(x，t)＝Y(x)Y(t) (2)

所构建的振型函数为：

Y(x)＝c₁chβx+c₂shβx+c₃cosβx+c₄sinβx (3)

式中，c代表建立振型函数的系数，β是特征根。

3.根据权利要求1所述的传感器布局方法，其特征在于：所述步骤3中获取对应的各阶固有频率为：

式中，EI为抗弯刚度均值；β_i为四阶特征根，此时的i取值为1～4；

得到与ω_i对应的振型函数为：

Y_i(x)＝chβ_ix-cosβ_ix+k_i(shβ_ix-sinβ_ix) (5)

式中：

4.根据权利要求1所述的传感器布局方法，其特征在于：步骤4中，应力与挠度的关系为：

式中：t_b为梁的厚度，y″(x，t)为应力的二阶求导。

5.根据权利要求1、2、3或4中任意一项所述的传感器布局方法，其特征在于：所述步骤5中，引用信息熵的概念，在频域内结合响应信号的各阶频率信息量，计算各阶频率信息量沿x轴的分布；

根据式(2)，式(6)简化为：

σ(x)＝k*Y″(x) (7)

式中：k为常量；

根据应力信息的概率密度计算公式及式(7)，应力信息的概率密度为：

式中，Y_i″指的是横向二阶求导横向力二阶求导；

根据式(6)应力信息熵为：

式中，指的是n阶横向力。