CN113188704B

CN113188704B - 鼠笼式弹支的轴向力测试方法、装置、电子设备及介质

Info

Publication number: CN113188704B
Application number: CN202110478338.8A
Authority: CN
Inventors: 刘国栋; 银越千; 宋双文; 贺象; 杨庆长; 李永建
Original assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Current assignee: Hunan Aviation Powerplant Research Institute AECC
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113188704A

Abstract

本申请公开了一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法、装置、电子设备及介质，所述方法包括步骤：S1、分别将应力传感器所测的时域信号进行时域分析得到基频；S2、对基频进行分析得到基频峰值所对应的采样时刻T；S3、从所述时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；S4、基于应力传感器的测量位置、轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系从应变值中求解并分离出各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值；S5、根据各测量点的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系静态标定得出各测量点对应的轴向力；S6、计算各测量点所得轴向力的平均值得到轴向力。本申请可直接用于弹支与轴承一体化轴承的轴向力的测试。

Description

鼠笼式弹支的轴向力测试方法、装置、电子设备及介质

技术领域

本申请涉及发动机测试技术领域，特别地，涉及一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法、装置、电子设备及介质。

背景技术

目前，采用鼠笼式弹支来支撑转子系统被广泛应用于航空发动机，在现代航空发动机中，需要时时监测转子系统的轴向力情况，以保证轴承在正常轴向力范围内工作，现有的轴向力测试主要有两种实现路径，一种是间接测量，即通过气动载荷计算，得到转子系统受到的轴向力，这需要在发动机中布置较多的气动参数测量点，并且存在一定的误差；另一种是直接测量，目前使用最多的是采用测力环测量，这种方法精度高，但在一体化弹支中，这种测试方法会失效，并且这种测试方式要求轴承与支撑结构保持间隙，实际刚度偏离设计值，转子系统存在一定的风险，因此，针对航空发动机一体化弹支轴向力直接测量目前还没有非常有效的通用测试方法。

另外，航空发动机在正常运转过程中，在某一时刻，转子传给弹支的是一种合力，该合力可分解为径向力和轴向力，径向力方向随时间在变动。采用动应力测试方法在弹支上贴应力传感器时，此时测得的响应是发动机转子轴向力和径向力的耦合信号，且转子径向力方向随时间周期变化，通过应力传感器测试能够得到时域信号，但并不能直接到的发动机的转子轴向力，因为其中包含干扰的径向力信号，如何从应力传感器测试得到的耦合信号中处理得到准确的转子轴向力，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的实施例一方面提供了一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法，以解决现有技术难以从应力传感器测试得到的耦合信号中处理得到准确的转子轴向力的技术问题。

本申请的实施例采用的技术方案如下：

一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法，包括步骤：

S1、分别将设置在所述鼠笼式弹支上的至少一对应力传感器所测的时域信号进行时域分析，分解得到表征基频的分量，其中，所述至少一对应力传感器位于所述鼠笼式弹支的同一横截面上，且每对应力传感器均以所述鼠笼式弹支的轴线为中心对称设置；

S2、对所述表征基频的分量进行维格纳分析，得到基频峰值所对应的采样时刻T；

S3、从所述时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；

S4、基于至少一对应力传感器的测量位置、轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系从所述应变值中求解并分离出各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值；

S5、根据各测量点的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系，经静态标定得出各测量点对应的轴向力；

S6、鼠笼式弹支转动一周后，计算各测量点所得轴向力的平均值，得到鼠笼式弹支所受的轴向力。

进一步地，所述鼠笼式弹支的轴向力测试方法还包括步骤：

S7、对所述时域信号进行频域分析，得到发动机振动信息。

进一步地，步骤S1中，所述至少一对应力传感器设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置。

进一步地，步骤S1中，所述至少一对应力传感器包括两对应力传感器，所述两对应力传感器之间的周向位置互成90°。

进一步地，步骤S4具体包括步骤：

S41、当对称的两应力传感器，在某一时刻分别受到Fx方向和Fy方向的力时，求取两应力传感器所测应变值的关系式：

ε_1＝ε_1x+ε_1y (1)

ε_3＝ε_3x+ε_3y (2)

ε_1x＝ε_3x (3)

其中，ε₁为其中一应力传感器所测的第一应变值，ε_1x为第一应变值中轴向力所对应的轴向力应变响应值，ε_1y为第一应变值中径向力所对应的径向力应变响应值，ε₃为另一对称的应力传感器所测的第二应变值，ε_3x为第二应变值中轴向力所对应的轴向力应变响应值，ε_3y为第二应变值中径向力所对应的径向力应变响应值；

S42、经有限元分析，当对称的两应力传感器在只受到径向力时，存在线性关系式：

ε_1y＝A*ε_3y+B (4)

其中，系数A和B通过静态试验标定得到；

S43、联立关系式(1)～关系式(4)，求得ε_1x、ε_1y、ε_3x、ε_3y。

进一步地，步骤S1中，对所测的时域信号进行时域分析时，通过间隔选取时域信号进行时域分析的方式减少数据处理量。

本申请的实施例另一方面还提供了一种鼠笼式弹支的轴向力测试装置，包括：

时域分析模块，用于分别将设置在所述鼠笼式弹支上的至少一对应力传感器所测的时域信号进行时域分析，分解得到表征基频的分量，其中，所述至少一对应力传感器位于所述鼠笼式弹支的同一横截面上，且每对应力传感器均以所述鼠笼式弹支的轴线为中心对称设置；

峰值时刻分析模块，用于对所述表征基频的分量进行维格纳分析，得到基频峰值所对应的采样时刻T；

应变值提取模块，用于从所述时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；

应变响应值分离模块，用于基于至少一对应力传感器的测量位置、轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系从所述应变值中求解并分离出各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值；

轴向力标定模块，用于根据各测量点的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系，经静态标定得出各测量点对应的轴向力；

平均值求取模块，用于计算各测量点的轴向力平均值，得到鼠笼式弹支所受的轴向力。

进一步地，所述鼠笼式弹支的轴向力测试装置还包括：

振动信息分析模块，用于对所述时域信号进行频域分析，得到发动机振动信息。

本申请的实施例另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述鼠笼式弹支的轴向力测试方法的步骤。

本申请的实施例另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法的步骤。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法、装置、电子设备及介质，所述轴向力测试方法首先对应力传感器所测的时域信号进行时域分析，分解得到表征基频的分量；接着对基频进行分析后得到基频峰值所对应的采样时刻T；然后从时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；接着根据应力传感器的测量位置、轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系从分离出应变值分离出各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值；然后根据各测量点的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系标定出各测量点对应的轴向力；最后在鼠笼式弹支转动一周后计算各测量点所得轴向力的平均值，得到鼠笼式弹支所受的轴向力。本申请可直接用于弹支与轴承一体化轴承的轴向力的测试，从而使弹支上直接测量轴向力成为可能，省略了测力环，结构更紧凑，降低系统风险；本申请无需在发动机上布置额外的转速传感器等部件，且解析精度高；本申请不但可以得到轴向力，同时可采用计算轴向力相类似的方式得到径向力，可在航空发动机整机中同时监测轴向力和转子振动，极大的方便对整机发动机的健康管理。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请优选实施例的鼠笼式弹支的轴向力测试方法流程示意图。

图2是应力传感器所测时域信号示意图。

图3是时域信号处理后示意图。

图4是应力传感器在鼠笼式弹支上的安装示意图(主视面)。

图5是应力传感器在鼠笼式弹支上的安装示意图(左视图)。

图6是图1中步骤S4的详细子步骤流程示意图。

图7是本申请另一优选实施例的鼠笼式弹支的轴向力测试方法流程示意图。

图8是本申请优选实施例的鼠笼式弹支的轴向力测试装置示意图。

图9是本申请另一优选实施例的鼠笼式弹支的轴向力测试装置示意图。

图10是本申请优选实施例的电子设备实体示意框图。

图11是本申请优选实施例的计算机设备的内部结构图。

图中：1、第一应力传感器；2、第二应力传感器；3、第三应力传感器；4、第四应力传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1，本申请的优选实施例提供了一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法，包括步骤：

S1、分别将设置在所述鼠笼式弹支上的至少一对应力传感器所测的时域信号(如图2所示)进行时域分析，分解得到表征基频的分量(如图3所示)，其中，所述至少一对应力传感器位于所述鼠笼式弹支的同一横截面上，且每对应力传感器均以所述鼠笼式弹支的轴线为中心对称设置；

S3、从所述时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；

本实施例提供了一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法，所述轴向力测试方法首先对应力传感器所测的时域信号进行时域分析，分解得到表征基频的分量，如采用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法将时域信号分解出基频分量信号(如图3所示)；接着对基频进行分析后得到基频峰值所对应的采样时刻T；然后从时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；接着根据应力传感器的测量位置、轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系从分离出应变值分离出各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值；然后根据各测量点的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系标定出各测量点对应的轴向力；最后在鼠笼式弹支转动一周后计算各测量点所得轴向力的平均值，得到鼠笼式弹支所受的轴向力。

本实施例中，应变传感器测试得到的是测量点随时间变化的应变值，其中包含转子轴向力和径向力对测量点产生的应变响应，如果能够去除径向力的响应值就可以得到轴向力的响应值。

因为径向力主要是由于转子偏心引起，所以变化周期与发动机转子转速正相关(基频)，发动机转一圈，径向力方向周向转动360°，且径向力方向与测量点在同一平面时，测量点的应变值最大，因此在发动机正常工作状态下径向力在测量点的响应是一个有峰值的随转子转动周期变化的数值。针对应力传感器测得的时域信号(见图2)，本实施例利用算法对其进行分解，得到表征基频的分量，然后对其进行维格纳分析，得到基频极值对应的采样时刻T(见图3)在时域信号中对应时刻T，就可以得到此时应变传感器测得的应变值，此时，轴向力、径向力以及测量点在同一平面内。

至此，再找到轴向力和径向力对测量点应变响应的耦合关系式，就可以从应变传感器测得的应变值中分离出轴向力的响应值和径向力的应变响应值(方程解耦)。最后通过静力标定获得轴向力与测量点应变的关系式，即可解析出轴向力和径向力的大小了。

本实施例可直接用于弹支与轴承一体化轴承的轴向力的测试，从而使弹支上直接测量轴向力成为可能，省略了测力环，结构更紧凑，降低系统风险；本实施例不需要在发动机上布置额外的转速传感器等部件，且解析精度高；本实施例不但可以得到轴向力，同时由于分离出了各测量点轴向力所对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值，还可以采用计算轴向力相类似的方式得到径向力，可在航空发动机整机中同时监测轴向力和转子振动，极大的方便对整机发动机的健康管理。

在本发明的优选实施例中，步骤S1中所述至少一对应力传感器设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置。

本实施例中，各应力传感器不但对称，且均设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置，在筋条中间位置相对于筋条其他位置，径向力响应较小，相应的轴向力的响应比值较高，在中间位置布置测点，可以提高测试精度，当然，在满足对称和共面的前提下，各应力传感器除了设置在筋条的中间位置外，同样可以设置在筋条的其他轴向位置上，具体可根据筋条大小及应变值选择贴片位置及组桥方式确定。

如图4和图5所示，在本发明的优选实施例中，步骤S1中所述至少一对应力传感器包括两对应力传感器，分别是第一应力传感器1、第二应力传感器2、第三应力传感器3、第四应力传感器4，其中，第一应力传感器1和第三应力传感器3对称地设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置；第二应力传感器2和第四应力传感器4对称地设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置；第一应力传感器1、第二应力传感器2、第三应力传感器3、第四应力传感器4均位于所述鼠笼式弹支同一横截面上，另外，所述两对应力传感器之间的周向位置互成90°，即第一应力传感器1、第二应力传感器2、第三应力传感器3、第四应力传感器4在所述鼠笼式弹支的筋条上周向均匀分布，相邻应力传感器之间的周向夹角为90°，其好处是在测得轴向力的同时，还可以通过频域分析得到水平和垂直两个方向的振动情况，监测发动机是否正常运转。当然，本实施例中设置两对应力传感器，且各应力传感器相隔90°均匀分布仅为本申请的一个优选的实施例而已，本领域技术人员可以根据实际的工程和经济需要，设置一对、三对及以上的应力传感器，同时，各应力传感器可以在所述鼠笼式弹支的筋条上周向均匀分布(相邻应力传感器之间的周向夹角相同)，也可以非周向均匀分布(相邻应力传感器之间的周向夹角不同)，以上设置，均能实现本申请的发明目的，达到相似的技术效果。

如图5和图6所示，在本发明的优选实施例中，步骤S4具体包括步骤：

S41、当对称的第一应力传感器1和第三应力传感器3在某一时刻分别受到Fx方向(与轴向力方向一致)和Fy方向(与径向力反向一致)的力时，求取第一应力传感器1和第三应力传感器3所测应变值的关系式：

ε_1＝ε_1x+ε_1y (1)

ε_3＝ε_3x+ε_3y (2)

ε_1x＝ε_3x (3)

其中，ε₁为第一应力传感器1所测的第一应变值，ε_1x为第一应变值中轴向力所对应的轴向力应变响应值，ε_1y为第一应变值中径向力所对应的径向力应变响应值，ε₃为第三应力传感器3所测的第二应变值，ε_3x为第二应变值中轴向力所对应的轴向力应变响应值，ε_3y为第二应变值中径向力所对应的径向力应变响应值；

S42、经有限元分析，当第一应力传感器1和第三应力传感器3在只受到径向力时，存在线性关系式：

ε_1y＝A*ε_3y+B (4)

其中，系数A和B通过静态试验标定得到；

本实施例中，通过求取第一应力传感器1和第三应力传感器3所测应变值的关系式、第一应力传感器1和第三应力传感器3在只受到径向力时存在线性关系式，即可求解出第一应力传感器1和第三应力传感器3的轴向力应变响应值和径向力应变响应值，从而分离出第一应力传感器1和第三应力传感器3所测轴向力对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值，为后续标定得到第一应力传感器1和第三应力传感器3处的轴向力提供准确数据，排除径向力应变响应值的干扰，提高后续所得轴向力的准确性和可靠性。类似的，重复步骤S41～S43，并将第一应力传感器1和第三应力传感器3替换为第二应力传感器2和第四应力传感器4，即可分别求得第二应力传感器2和第四应力传感器4所测的轴向力应变响应值和径向力应变响应值，从而分离出第二应力传感器2和第四应力传感器4所测轴向力对应的轴向力应变响应值和径向力所对应的径向力应变响应值，为后续标定得到第二应力传感器2和第四应力传感器4处的轴向力提供准确数据，排除径向力应变响应值的干扰，提高后续所得轴向力的准确性和可靠性。

如图7所示，在本发明的优选实施例中，所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法还包括步骤：

S7、对所述时域信号进行频域分析，得到发动机振动信息。

本实施例通过对所述时域信号进行频域分析，还可得到发动机振动信息，另外，需要说明的是，在分离出各测量点的轴向力应变响应值和径向力应变响应值后，除了可以根据各测量点分离出的轴向力应变响应值与轴向力的线性关系，经静态标定得出各测量点对应的轴向力外，还可以根据各测量点分离出的径向力应变响应值与径向力的线性关系，经静态标定得出各测量点相应时刻所对应的径向力，也就是说，利用本申请的方法，除了可以直接检测出弹支的轴向力外，还可以在需要时检测出弹支某一时刻的径向力，便于对弹支的受力进行更全面的分析。因此，本实施例不但可以得到轴向力，同时可以采用计算轴向力相类似的方式得到径向力，可在航空发动机整机中同时监测轴向力、径向力和转子振动情况，方便对整机发动机进行健康管理。

在本发明的优选实施例中，步骤S1中对所测的时域信号进行时域分析时，通过间隔选取时域信号进行时域分析的方式减少数据处理量。

本实施例中，基于数据处理能力的考虑，步骤S1中对所测的时域信号进行时域分析时，无需选取所有的时域信号进行时域分析，可以适当间隔选取，从而减少数据处理量，从而提高对数据的处理效率，同时可以降低对硬件的要求，降低测试成本。

如图8所示，在本申请的优选实施例中，一种鼠笼式弹支的轴向力测试装置，包括：

如图9所示，在本发明的另一优选实施例中，所述的鼠笼式弹支的轴向力测试装置还包括：

与上述实施例不同的是，本实施例的鼠笼式弹支的轴向力测试装置还包括有振动信息分析模块，该振动信息分析模块用于对所述时域信号进行频域分析，从而得到发动机振动信息，便于了解发动机振动情况，有利于整机发动机的健康管理。

上述轴向力测试装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

如图10所示，本申请的优选实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中的鼠笼式弹支的轴向力测试方法。

如图11所示，本申请的优选实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或活体检测服务器，其内部结构图可以如图11所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的其他计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述鼠笼式弹支的轴向力测试方法。

本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的设备，或者组合某些设备，或者具有不同的设备布置。

本申请的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述实施例中的鼠笼式弹支的轴向力测试方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请的上述实施例提出一种通过动应力测试方法测试弹支轴向力的一种方法，除了对传统弹支测轴向力有效，同时对不能布置测力环的一体化弹支测轴向力同样有效，解决了一体化弹支难以直接测试轴向力的问题，同时消除了应力环测轴向力方法中弹支与轴承必须保持间隙的弊端，使得发动机转子运转更稳定、健壮。

本实施例方法所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种鼠笼式弹支的轴向力测试方法，其特征在于，包括步骤：

S3、从所述时域信号中提取采样时刻T所测的应变值；

S6、鼠笼式弹支转动一周后，计算各测量点所得轴向力的平均值，得到鼠笼式弹支所受的轴向力；

步骤S4具体包括步骤：

ε₁＝ε_1x+ε_1y (1)

ε₃＝ε_3x+ε_3y (2)

ε_1x＝ε_3x (3)

ε_1y＝A*ε_3y+B (4)

其中，系数A和B通过静态试验标定得到；

2.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法，其特征在于，还包括步骤：

S7、对所述时域信号进行频域分析，得到发动机振动信息。

3.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述至少一对应力传感器设置在所述鼠笼式弹支的筋条的中间位置。

4.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述至少一对应力传感器包括两对应力传感器，所述两对应力传感器之间的周向位置互成90°。

5.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法，其特征在于，步骤S1中，对所测的时域信号进行时域分析时，通过间隔选取时域信号进行时域分析的方式减少数据处理量。

6.一种鼠笼式弹支的轴向力测试装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的鼠笼式弹支的轴向力测试装置，其特征在于，还包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5中任一项所述鼠笼式弹支的轴向力测试方法的步骤。

9.一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其特征在于，

在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至5中任一项所述的鼠笼式弹支的轴向力测试方法的步骤。