CN110836721A - 一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置及方法，包括：夹持装置、传声器、前置放大器、信号采集处理器和计算机；传声器采集待测叶片激振的声波信号并转为电压信号；前置放大器对电压信号进行放大；信号采集处理器对放大的电压信号进行分析调制发送给计算机；计算机对接收的信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。本发明通过激振叶片，采集声波信号，进行处理分析得到叶片的多阶静频参数，测试中对相邻叶片进行振动阻尼隔离，减少对待测叶片的影响，提高测试准确度，对整体叶盘进行整体夹持，防止耦合振动，提高测试稳定性。

Description

一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置及方法

技术领域

本发明属于叶盘叶片静频测技术领域，涉及一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置及方法。

背景技术

现有航空发动机零部件静频测试方法主要有两种，一种是振动台共振法，另一种就是接触式传感器的锤击法。随着航空发动机制造技术的发展，整体叶盘等复杂结构件在发动机中使用比重越来越大，整体叶盘在装机前必须对其单体叶片进行静频测试，而整体叶盘受到复杂结构及其安装条件限制，无法采用传统的静频测试方法进行测试。

振动台共振法，零部件在可调频率的激振力作用下，产生强迫振动，当激振力频率等于其固有频率时，振幅将急剧增大，此时零件进入共振状态。在共振状态下测得的零件振动频率，就是其固有频率。振动台属于接触激振器，用它激振零部件测固有频率，零部件通过夹具固定在振动台上，并与振动台一起振动。电磁振动台适用范围较广，是当前较为常用的一种激振设备。一些发动机生产厂还将电磁振动台定为叶片测固有频率的标准设备。电磁振动台适合于试验室使用，而且必须有专用的夹具与之匹配。对于夹具的要求也较高，夹具和振动台以及两者的连接要有足够的刚性，如果夹具与台面接触不良、连接不牢或与台面刚性不足都会影响测频精度。夹具结构、夹紧方式、夹块的加工精度及磨损、裂纹也会影响测频精度。当测量一些不规则零部件(如轮盘)时，很难设计出合适的夹具。而且，振动台测频范围受设备参数限制一般多为3000Hz以下。因此，用电磁振动台测发动机零部件固有频率具有一定的局限。此方法主要适合发动机叶片及小型简单易装夹零部件，对于大型复杂构件很难实现测试。

锤击法测振是古老而经典的测振方法，过去由于没有动态分析系统，这种测振方法长期停滞没有发展。1965年提出了快速傅里叶变换(FFT)计算方法及电子计算机的问世，使运算速度大大提高，也使锤击法测振得到了快速发展。用锤击法测发动机零部件的振动特性时，一次试验可获得大量信息，经过数据处理，能直接给出发动机零部件的多阶振动的固有频率、振型、模态阻尼比以及模态质量等参数。锤击法作振动试验和常规法不同，它不用激振器、信号源等各种电子仪器，只用带力传感器的手锤和测量响应的传感器及响应数据采集分析仪。用力锤敲击发动机零部件，记录冲力和零件的响应。然后借助数采系统的快速傅氏变换(FFT)，迅速测出结构的动力特性，经过数据处理得到模态参数。但锤击法测试较小零部件固有频率时，受到粘贴在零部件上的传感器附加质量影响，误差较大。对于成批零部件测频时，需要反复粘贴传感器，而且传感器粘贴位置，对测频结构影响较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置及方法，在测试过程中对相邻未测试叶片进行振动阻尼隔离，减少其对待测叶片的影响，提高测试准确度，对整体叶盘盘体进行整体夹持，防止耦合振动，提高测试稳定性。

本发明提供一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置，包括：夹持装置、传声器、前置放大器、信号采集处理器和计算机；

所述夹持装置用于夹持整体叶盘；

所述传声器设置于整体叶盘附近，用于采集待测叶片经激振产生的声波信号并转换为电压信号；

所述前置放大器与传声器相连接，用于对电压信号进行放大处理；

所述信号采集处理器与前置放大器相连接，用于对放大的电压信号进行分析调制去除其中的干扰信号后传输给计算机；

所述计算机对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置中，所述夹持装置包括：上基座、下基座、上夹持盘、下夹持盘和液压机构；下基座由下水平座和下立柱组成；上基座由上水平座和上立柱组成；所述液压机构安装在下基座的下立柱中，上基座的上立柱端部设于下立柱内并与液压机构的输出柱塞杆连接，上基座在液压机构的推动下可沿下立柱上、下移动；

所述上夹持盘设置于上水平座上，下夹持盘设置于下水平座上，上夹持盘和下夹持盘相对设置，配合夹紧整体叶盘；上夹持盘通过紧固螺栓安装于上水平座上，通过旋转紧固螺栓调整夹紧力。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置中，所述液压机构包括：第一液压缸、第二液压缸、杠杆手柄、油箱、吸油单向阀、送油单向阀和排油阀；所述第一液压缸通过吸油管路与油箱连接，所述吸油单向阀设于吸油管路上，吸油单向阀的进油口与油箱连接，出油口与第一液压缸连接；第一液压缸通过送油管路与第二液压缸连接，所述送油单向阀设于送油管路上，送油单向阀的进油口与第一液压缸连接，出油口与第二液压缸连接；第二液压缸通过排油管路和油箱连接，所述排油阀设于排油管路上，排油阀的阀门开关从下基座露出便于调节，所述杠杆手柄连接第一液压缸的活塞杆，第二液压缸的活塞杆连接上基座的上立柱。

本发明提供一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，包括：

步骤1：用夹持装置夹紧叶盘座；

步骤2：在整体叶盘的叶片间加塞阻尼海绵来阻尼相邻叶片振动耦合，被测叶片不加阻尼海绵；

步骤3：将传声器固定在旋转支架上，保持传声器距离待测叶片3cm～5cm；

步骤4：连接好前置放大器、信号采集处理器和计算机，进行电磁干扰屏蔽，防止其他噪声信号干扰；

步骤5：根据设计给出的被测叶片频率计算值，设置分析频率，设置频率分辨率，运行参数，通道参数，打开观测的窗口，选择要观测的通道信号；

步骤6：用小木锤对待测叶片进行激振；

步骤7：传声器采集整体叶盘经激振产生的声波信号并转换为电压信号，前置放大器对电压信号进行放大处理后传输给信号采集处理器；

步骤8：信号采集处理器对放大的电压信号进行分析调制后传输给计算机；

步骤9：计算机对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱；

步骤10：分析得到幅值谱中主要幅值对应的频率值，此频率值即是被测叶片的共振频率值。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法中，所述步骤1中在夹紧叶盘座前，先在整体叶盘的叶盘座上安装塑质防护贴盘，以防止固定夹持过程中造成整体叶盘表面划碰伤。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法中，所述阻尼海绵采用高密度泡沫海绵。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法中，所述步骤2中在被测叶片左右相邻5～8片的叶片上加阻尼海绵。

在本发明的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法中，所述步骤9具体为：

步骤9.1：激振产生的声波信号x(t)转换的时域信号为连续的随时间变化的样本函数X(t)，它的自相关函数为：

自相关函数描述一个时刻信号与另一个时刻信号之间的相互关系，是两个状态之间相关性的数量描述；

步骤9.2：对自相关函数R_XX(τ)进行快速傅立叶变换，即得到功率谱密度函数S_xx(f)；

其中，f为声波信号的频率；

步骤9.3：通过功率谱密度函数S_xx(f)获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

本发明利用声学法测频解决了大型复杂结构件的固有频率测试难题，测试过程所需激励能量小，减小耦合振动。特别是对整体叶盘这样的大型构件无需专业夹具，加上采取合理的阻尼方法，在整体叶盘叶片测频中更加减少耦合振动产生的影响。且声学法测频是靠采集叶片振动发出的声波信号进行分析计算得出叶片固有频率，对于那些没有振动发声的叶片对所测叶片结果不会造成影响。对那些数量较多的叶片测频工作来说，可以固定传声器位置，小木锤一次激励可以得到叶片多阶固有频率，节省了大量人力和物力，提高了工作效率和质量。而且声学法测频测试频带较宽，可以测试较高阶固有频率。

附图说明

图1是一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置的结构示意图；

图2是夹持装置的结构图；

图3是液压机构的工作原理图；

图4是叶片间加设阻尼海绵的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置，包括：夹持装置1、传声器2、前置放大器3、信号采集处理器4和计算机5。所述夹持装置1用于夹持整体叶盘6；所述传声器2设置于整体叶盘6附近，用于采集待测叶片经激振产生的声波信号并转换为电压信号。所述前置放大器3与传声器2相连接，用于对电压信号进行放大处理。所述信号采集处理器4与前置放大器3相连接，用于对放大的电压信号进行分析调制去除其中的干扰信号后传输给计算机。所述计算机5与信号采集处理器4相连接，用于对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

如图2所示，所述夹持装置1包括：上基座、下基座、上夹持盘15、下夹持盘和液压机构。下基座由下水平座11和下立柱12组成；上基座由上水平座13和上立柱14组成。所述液压机构安装在下基座的下立柱12中，上基座的上立柱14端部设于下立柱12内并与液压机构的输出活塞杆连接，上基座在液压机构的推动下可沿下立柱12上、下移动。

所述上夹持盘15设置于上水平座13上，下夹持盘设置于下水平座上11，上夹持盘15和下夹持盘相对设置，配合夹紧整体叶盘6。上夹持盘15通过紧固螺栓16安装于上水平座13上，通过旋转紧固螺栓16可调整夹紧力。通过上夹持盘和下夹持盘对叶盘进行整体夹持，可防止耦合振动。

如图3所示，所述液压机构包括：第一液压缸81、第二液压缸82、杠杆手柄83、油箱84、吸油单向阀85、送油单向阀86和排油阀87。所述第一液压缸81通过吸油管路与油箱84连接，所述吸油单向阀85设于吸油管路上，吸油单向阀85的进油口与油箱84连接，出油口与第一液压缸81连接。第一液压缸81通过送油管路与第二液压缸82连接，所述送油单向阀86设于送油管路上，送油单向阀86的进油口与第一液压缸81连接，出油口与第二液压缸82连接。第二液压缸82通过排油管路和油箱84连接，所述排油阀87设于排油管路上，排油阀87的阀门开关88从下基座露出便于调节。所述杠杆手柄83连接第一液压缸81的活塞杆，第二液压缸82的活塞杆连接上基座的上立柱14。杠杆手柄83从下立柱12的侧壁伸出。

当用手提起杠杆手柄83时，第一液压缸81的活塞杆就被带动上行，第一液压缸81中的密封工作容积便增大。这时，由于送油单向阀86和排油单向阀87分别关闭了送油管路和排油管路，所以在第一液压缸81中的工作容积增大形成了部分真空。在大气压的作用下，油箱84中的油液经吸油管路打开吸油单向阀85流入第一液压缸81中，完成一次吸油动作。当压下杠杆手柄83时，带动第一液压缸81的活塞杆下移，第一液压缸81中的小油腔工作容积减小，便把其中的油液挤出，推开送油单向阀86，此时吸油单向阀85自动关闭了通往油箱的油路，油液便经送油管路进入第二液压缸82的油腔，进入的油液因受挤压而产生的作用力推动第二液压缸82的活塞杆上升，并将上立柱14顶起做功。反复提、压杠杆手柄83，就可以使上基座不断上升。需要第二液压缸82的活塞杆向下返回时，将排油单向阀87开启，则在上基座自重的作用下，第二液压缸82中的油液流回油箱84，通过控制排油单向阀87就可以使上基座下降到需要的高度。

本发明的一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，包括：

步骤1：用夹持装置夹紧叶盘座；

具体实施时，在夹紧叶盘座前，先在整体叶盘的叶盘座上安装塑质防护贴盘，以防止固定夹持过程中造成整体叶盘表面划碰伤。

步骤2：在整体叶盘的叶片间加塞阻尼海绵来阻尼相邻叶片振动耦合，被测叶片不加阻尼海绵；

如图4所示，具体实施时，原则上除被测叶片外的叶片全加阻尼为最好，但考虑到工作效率在被测叶片左右相邻5～8片的叶片上加阻尼海绵即可。所述阻尼海绵采用高密度泡沫海绵。

步骤3：将传声器固定在旋转支架上，保持传声器距离待测叶片3cm～5cm；

步骤4：连接好前置放大器、信号采集处理器和计算机，做好接地，并进行电磁干扰屏蔽，防止其他噪声信号干扰；

步骤5：根据设计给出的被测叶片频率计算值，设置分析频率，设置频率分辨率，运行参数，通道参数，打开观测的窗口，选择要观测的通道信号；

步骤6：用小木锤对待测叶片进行激振；

具体实施时，要求测试环境噪声不要超过叶片敲击声声压级，所以声学法固有频率测试最好在比较安静的试验室里进行。用专用小木锤对测试叶片进行激振，力量不用太大，激振时动作要快速、干净。

步骤7：传声器采集整体叶盘经激振产生的声波信号并转换为电压信号，前置放大器对电压信号进行放大处理后传输给信号采集处理器；

步骤8：信号采集处理器对放大的电压信号进行分析调制后传输给计算机；

步骤9：计算机对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，所述步骤8具体为：

步骤9.1：激振产生的声波信号x(t)转换的时域信号为连续的随时间变化的样本函数X(t)，它的自相关函数为：

自相关函数描述一个时刻信号与另一个时刻信号之间的相互关系，是两个状态之间相关性的数量描述；

步骤9.2：对自相关函数R_XX(τ)进行快速傅立叶变换，即得到功率谱密度函数S_xx(f)；

其中，f为声波信号的频率；

步骤9.3：通过功率谱密度函数S_xx(f)获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

步骤10：分析得到幅值谱中主要幅值对应的频率值，此频率值即是被测叶片的共振频率值，进而通过声波信号来完成测试零部件的固有频率值。

具体操作时，用小木锤激振被测叶片，产生随时间变化的声波信号x(t)，传声器采集声波信号x(t)，并将其通过磁电变换转化为时域电压信号X(t)，电压信号X(t)再经过前置放大器放大调理后传输给信号采集处理器，信号采集处理器对电压信号X(t)进行分析调制，去除其中的无关干扰后传输给计算机，计算机中的专业分析软件对声波电压信号X(t)的自相关函数R_XX(τ)进行快速傅立叶转换，由时域电信号函数X(t)转换得到频率域统计量均方功率谱密度函数S_xx(f)，也就是整个过程将声波信号在时间域中的波形转变为频率域中的频谱，获得声波信号中的各个频率成分以及其对应的幅值谱，进而通过分析可以得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

本发明利用声学法测频解决了大型复杂结构件的固有频率测试难题，测试过程所需激励能量小，减小耦合振动。特别是对整体叶盘这样的大型构件无需专业夹具，加上采取合理的阻尼方法，在整体叶盘叶片测频中更加减少耦合振动产生的影响。且声学法测频是靠采集叶片振动发出的声波信号进行分析计算得出叶片固有频率，对于那些没有振动发声的叶片对所测叶片结果不会造成影响。对那些数量较多的叶片测频工作来说，可以固定传声器位置，小木锤一次激励可以得到叶片多阶固有频率，节省了大量人力和物力，提高了工作效率和质量。而且声学法测频测试频带较宽，可以测试较高阶固有频率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置，其特征在于，包括：夹持装置、传声器、前置放大器、信号采集处理器和计算机；

所述夹持装置用于夹持整体叶盘；

所述传声器设置于整体叶盘附近，用于采集待测叶片经激振产生的声波信号并转换为电压信号；

所述前置放大器与传声器相连接，用于对电压信号进行放大处理；

所述信号采集处理器与前置放大器相连接，用于对放大的电压信号进行分析调制去除其中的干扰信号后传输给计算机；

所述计算机对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

2.如权利要求1所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置，其特征在于，所述夹持装置包括：上基座、下基座、上夹持盘、下夹持盘和液压机构；下基座由下水平座和下立柱组成；上基座由上水平座和上立柱组成；所述液压机构安装在下基座的下立柱中，上基座的上立柱端部设于下立柱内并与液压机构的输出柱塞杆连接，上基座在液压机构的推动下可沿下立柱上、下移动；

所述上夹持盘设置于上水平座上，下夹持盘设置于下水平座上，上夹持盘和下夹持盘相对设置，配合夹紧整体叶盘；上夹持盘通过紧固螺栓安装于上水平座上，通过旋转紧固螺栓调整夹紧力。

3.如权利要求2所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试装置，其特征在于，所述液压机构包括：第一液压缸、第二液压缸、杠杆手柄、油箱、吸油单向阀、送油单向阀和排油阀；所述第一液压缸通过吸油管路与油箱连接，所述吸油单向阀设于吸油管路上，吸油单向阀的进油口与油箱连接，出油口与第一液压缸连接；第一液压缸通过送油管路与第二液压缸连接，所述送油单向阀设于送油管路上，送油单向阀的进油口与第一液压缸连接，出油口与第二液压缸连接；第二液压缸通过排油管路和油箱连接，所述排油阀设于排油管路上，排油阀的阀门开关从下基座露出便于调节，所述杠杆手柄连接第一液压缸的活塞杆，第二液压缸的活塞杆连接上基座的上立柱。

4.一种航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，其特征在于，包括：

步骤1：用夹持装置夹紧叶盘座；

步骤2：在整体叶盘的叶片间加塞阻尼海绵来阻尼相邻叶片振动耦合，被测叶片不加阻尼海绵；

步骤3：将传声器固定在旋转支架上，保持传声器距离待测叶片3cm～5cm；

步骤4：连接好前置放大器、信号采集处理器和计算机，进行电磁干扰屏蔽，防止其他噪声信号干扰；

步骤5：根据设计给出的被测叶片频率计算值，设置分析频率，设置频率分辨率，运行参数，通道参数，打开观测的窗口，选择要观测的通道信号；

步骤6：用小木锤对待测叶片进行激振；

步骤7：传声器采集整体叶盘经激振产生的声波信号并转换为电压信号，前置放大器对电压信号进行放大处理后传输给信号采集处理器；

步骤8：信号采集处理器对放大的电压信号进行分析调制后传输给计算机；

步骤9：计算机对接收的电压信号进行自谱分析，获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱；

步骤10：分析得到幅值谱中主要幅值对应的频率值，此频率值即是被测叶片的共振频率值。

5.如权利要求4所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，其特征在于，所述步骤1中在夹紧叶盘座前，先在整体叶盘的叶盘座上安装塑质防护贴盘，以防止固定夹持过程中造成整体叶盘表面划碰伤。

6.如权利要求4所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，其特征在于，所述阻尼海绵采用高密度泡沫海绵。

7.如权利要求4所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，其特征在于，所述步骤2中在被测叶片左右相邻5～8片的叶片上加阻尼海绵。

8.如权利要求4所述的航空发动机整体叶盘叶片静频测试方法，其特征在于，所述步骤9具体为：

步骤9.1：激振产生的声波信号x(t)转换的时域信号为连续的随时间变化的样本函数X(t)，它的自相关函数为：

自相关函数描述一个时刻信号与另一个时刻信号之间的相互关系，是两个状态之间相关性的数量描述；

步骤9.2：对自相关函数R_XX(τ)进行快速傅立叶变换，即得到功率谱密度函数S_xx(f)；

其中，f为声波信号的频率；

步骤9.3：通过功率谱密度函数S_xx(f)获得声波信号中的各个频率成分及其对应的幅值谱，进而得到其中主要幅值对应的频率值，此频率值即是所要的叶片共振频率值。

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