CN114623977A - 一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，利用微速差双转子系统存在内外转子振动耦合，振动信号的表现形式为拍振，利用拍振的拍峰拍谷特征分离出内、外转子各自的不平衡振动幅值和相位，作为自动平衡控制系统的输入参数。添加试重结合影响系数动平衡方法计算出内外转子不平衡的大小和位置，由自动平衡控制器控制执行器中的配重盘移动至平衡位置从而抵消转子系统的不平衡量。利用微速差进行振动耦合信号的解耦，实现自动平衡在线抑振；本发明测试和计算方式简单，根据拍振的特征，从时域上提取拍振波形的拍峰和拍谷，计算出内外转子振动信号的幅值和相位。能够根据测量的基频振幅和相位计算配重块位置，达到闭环控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种桨扇同轴对转双转子结构自动平衡的控制算法，利用双转子微速差产生的拍振信号进行振动信号分离，应用于桨扇同轴对转自动平衡系统的控制输入算法，属于故障诊断和振动主动控制领域。
背景技术
不平衡振动易诱发转子碰磨、叶片断裂、轴承损伤等故障，甚至造成机毁人亡，严重影响飞机长航飞行的安全可靠性。桨扇发动机是介于涡桨和涡扇发动机之间的一种高亚音速、长航程、大推力发动机，是未来战略运输机、远程轰炸机用发动机的发展方向。采用同轴对转双转子结构的桨扇发动机有高推进效率、降低油耗的优点，但是存在振动和噪声大的缺点。因此，研究适用于同轴对转双转子结构的在线振动抑制方法迫在眉睫。转子和桨叶的质量不平衡是造成桨扇发动机振动和噪声过大的重要原因，本专利针对桨扇发动机的同轴对转双转子结构开展不平衡振动响应分离和自动平衡研究，为同轴对转双转子结构振动的在线抑制提供思路。
自动平衡系统通过在转子上预装自动平衡执行器，在线移动配重块，实现转子质量的再分布，从根源上降低或消除转子不平衡振动。目前国外已在涡桨螺旋桨、高精度磨床等领域实现自动平衡技术的工业应用，而国内自动平衡技术尚处在实验室研究阶段，未见工业应用报道。自动平衡系统由平衡执行器、控制器、信号采集处理三部分组成，通过给自动平衡控制器输入振动信息，才能计算出配平位置，完成自动平衡。因此，如何快准精稳地获取同轴对转复杂系统的内、外转子不平衡振动幅值和相位，是实施自动平衡振动抑制的前提条件。
由于桨扇发动机运行时双排桨叶的负载不同，导致同轴对转双转子系统存在微小的转速差(一下简称“微速差”)，从而导致内外转子的耦合不平衡振动响应是由两个频率非常接近的简谐振动分量构成的拍振。本专利以微速差状态下产生的拍振信号为研究对象，通过确定拍振信号的拍峰、拍谷值，辨析出内外转子不平衡振动的幅值和相位，作为双配重盘电磁平衡系统控制器的输入参数，以实现不平衡振动的在线抑制。
现有微速差双转子系统的振动信号辨析和动平衡专利中，主要针对同轴同转双转子结构。本申请关注同轴对转双转子结构，通过检索，与本申请相关度较大的专利有如下几项：
目前，针对双转子动平衡方法中，公开号为[CN101464202A]的专利提出‘微速差双转子旋转机械动平衡方法’，与本专利所提出的自动平衡方法不同，它采用双振动传感器测量轴承位置处的振动信号，利用双平面影响系数动平衡法求得两个平衡平面的不平衡量，应用对象为采用差速器产生的微速差双转子结构。而本专利采用单一振动传感器测量耦合振动信号，之后分析拍振信号获得内外转子的不平衡振动信息。公开号为[CN91109315]的专利提出一种‘用于螺旋卸料沉降离心机的动平衡方法’。以上两种专利均针对同轴同转的双转子系统的动平衡，而本专利是针对同轴对转双转子结构的自动平衡。
在针对同轴对转转子的动平衡方法中Esteban Quiroz-Hernandez等人提出一种“Method for balancing a propulsive system having non-hull contra-roratingpropellers”，该平衡方法方法针对具有非船体对转螺旋桨推进系统，与本方法不同的是该方法采用电机式自动平衡装置，其缺点是电机中滑环与碳刷的磨损，会使系统可靠性降低，同时由于自动平衡内的两个平衡块共用一个运动轨迹，当采用同等质量的平衡块时该自动平衡结构比电磁式自动平衡装置的最大平衡能力小。本专利采用双配重块质量分布式的电磁驱动型平衡头系统，其优点是可以在高速下稳定运行、平衡能力高、结构尺寸小便于安装。
在双转子信号分离算法方面，公开号为[CN102944360A]的专利提出‘一种微速差双转子系统的不平衡振动信号提取方法’，与本专利不同的是该方法是将最小二乘法和改进的Prony方法(Improved Prony Method，简称IPM)相结合，进行双转子不平衡振动信号的辨识。公开号为[CN102967414A]的专利提出‘基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量提取方法’，与本专利不同的是该专利将微速差双转子振动信号分离与频谱校正结合，用于微速差双转子系统不平衡分量提取。以上两种专利针对同轴同转双转子结构，重点在于辨识复杂工况下的双转子不平衡振动信号。同时，在已公开的发明或文献中，未提到针对同轴对转结构的双转子自动平衡控制输入参数辨析。
发明内容
本发明针对带对转桨扇推进系统的飞机中的同轴对转结构展开(如图1、2所示)，对于其振动信号分离和振动抑制研究的不足，提出一种基于微速差的同轴对转双转子自动平衡控制算法，可以从一个振动信号中有效分离出内外转子的振动幅值和相位，为自动平衡控制系统提供输入参数，从而控制自动平衡执行器动作降低转子系统的振动，。本方法为同轴对转双转子系统的振动信号分离提供了思路，为电磁式自动平衡系统输入控制参数，可以有效地进行振动在线抑制，其流程如图3所示。
本发明的目的在于解决桨扇发动机同轴对转双转子结构的振动信号分离和不平衡振动抑制问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是将微速差状态下的拍振信号分离算法与自动平衡技术结合，利用微速差双转子系统存在内外转子振动耦合，振动信号的表现形式为拍振，利用拍振的拍峰拍谷特征分离出内、外转子各自的不平衡振动幅值和相位，作为自动平衡控制系统的输入参数。添加试重结合影响系数动平衡方法计算出内外转子不平衡的大小和位置，由自动平衡控制器控制执行器中的配重盘移动至平衡位置从而抵消转子系统的不平衡量。
拍振波形的主要部分是由频率非常接近的两个正弦波形组成，其叠加后的拍振信号如式(1)所示，当
时，形成拍峰Xmax＝X1+X2；当
时，形成拍谷Xmin＝X1-X2；因此可以通过拍峰值、拍谷值之间的加减运算算得到不同频率信号的幅值X1、X2，如式(2)所示。
式中X1、X2、ω1、ω2、
为内、外转子不平衡振动的幅值、角频率和相位，且X1>X2，
拍振波形中不同频率信号的相位分离如图4所示，在自动平衡执行器内安装霍尔传感器测量内外转子的基准信号，通过测量内外转子基准信号的上升沿与拍振信号拍峰位置处的相位差，得到内外转子各自振动信号的相位。首先，将得到的不平衡振动的幅值和相位作为自动平衡控制器的输入；然后，施加试重结合影响系数法计算得到内外转子不平衡量的大小和方位；最后，软件计算出两个配重块移动方向和移动步数，通过自动平衡控制器控制执行器动作以抵消转子的不平衡量。
电磁式自动平衡执行器由动环、静环两部分组成，采用穿轴的安装方式，预装在靠近内、外转子桨扇的位置处。动环是关键部件，包含带有两个配重质量的配重盘，在配重盘周向装配磁极交替放置的永久磁铁，当向永久磁铁施加交变的外磁场时，就可以实现配重盘的周向转动，通过改变外加磁场的方向，实现配重盘双向移动。当转子系统出现新的不平衡量时，通过静环励磁线圈发射电流脉冲信号，驱动配重盘移动到相应位置抵消不平衡量。同时，利用永久磁铁自身的磁场实现自锁功能，使得补偿质量在一定条件下锁定在补偿位置，持续提供平衡补偿力。同轴对转系统自动平衡原理如图5所示。
具体实施步骤如下：
(1)首先安装同轴对转双转子试验台的振动测量系统，包括两部分：配重盘定位测量和转子系统振动测量，配重盘的定位测量系统预装在自动平衡执行器内部，受结构空间与密封限制，不适合安装振动位移传感器，转子系统振动测量采用加速度传感器用来测量轴承处的双转子耦合振动。
(2)在控制软件中设置内外轴转速，使之存在微小差值且不小于20RPM。
(3)将内外轴平衡执行器中的平衡块均固定于0°、180°的初始位置，测量内外轴单转的原始振动，保持外轴不动运行内轴，测量内轴的振动响应
保持内轴不动运行外轴，测量外轴的振动响应
(4)微速差的状态下同时启动内外轴，测量双转子原始耦合振动信号，并拍振信号分离方法分离出内、外轴原始不平衡振动响应
分离原理如图4所示。
(5)对比单转测量的振动响应与对转耦合测量后分离的振动响应，计算分离误差，判断是否在合理误差范围内。
(6)在控制软件中移动内轴平衡块，测量微速差的状态下双转子内轴试重后耦合振动信号，并分离出内轴试重后不平衡振动响应
(7)在控制软件中将内轴平衡块移到初始位置，然后移动外轴平衡块，测量微速差的状态下双转子外轴试重后耦合振动信号，并分离出外轴试重后不平衡振动响应
(8)按照上述平衡步骤所测得的数据，利用影响系数法计算出内、外转子的不平衡量
如式(3)(4)所示。
(9)执行自动平衡。基于影响系数法的靶向自动平衡控制策略和自动平衡块移动算法，驱动两配重块移动到相应位置抵消不平衡量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果
1.利用微速差进行振动耦合信号的解耦，实现自动平衡在线抑振。常规振动测量受振动耦合影响，难以准确解析出内外转子的振动信号，无法获取内外转子的不平衡振动信息，无法进行自动平衡。
2.本发明所提出的信号分析方法，只需一个振动信号即可解耦出两个转子的不平衡振动幅值，即只需使用一个振动传感器即可，而常规的双转子动平衡需要两个振动传感器，分别测试两个转子的振动信号才可进行。
3.本发明测试和计算方式简单，根据拍振的特征，从时域上提取拍振波形的拍峰和拍谷，计算出内外转子振动信号的幅值和相位。
4.自动平衡系统可以在不停机的情况下完成平衡。通过两个偏心的配重块组合提供一定范围内的平衡质量，能够在线改变配重块位置。
5.可以实时监测振动情况。能够根据测量的基频振幅和相位计算配重块位置，从而达到闭环的控制方式。
附图说明
图1带自动平衡的桨扇飞机示意图部分视图：
图2同轴对转双转子结构示意图：
图3自动平衡控制算法流程图。
图4拍振信号的相位分离原理。
图5同轴对转双转子自动平衡原理示意图。
图6微速差分离算法仿真分析。
图中：1内转子；2外轴自动平衡执行器；3中介轴承1；4外转子；5中介轴承2；6内轴自动平衡执行器；7前螺旋桨；8后螺旋桨。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
拍振信号分离仿真：
首先，仿真内外转子的不平衡振动信号并将其叠加，设内外转子的振动波形如式(5)(6)所示,叠加后的拍振信号如式(7)所示：
式中X1、X2、ω1、ω2、
为内、外转子不平衡振动的幅值、角频率和相位，且X1>X2，
当
时，形成拍峰：Xmax＝X1+X2；当
时，形成拍谷：Xmin＝X1-X2。
通过希尔伯特变换求出拍振信号的包络线，搜索包络线的最大值和最小值从而得到拍振信号的拍峰和拍谷，从而得出内外转子的幅值X1、X2。
然后，根据平衡头内霍尔传感器测得的内、外转子键相信号，通过对比键相信号和拍振信号拍峰，确定各自的相位，测量原理如图4所示。
针对以上算法开展微速差分离算法的仿真分析，算法编程基于NI-labview图形化编程环境，图6是拍振信号分离算法的前面板。其中A1、A2为内外转子的不平衡振动信号参数设置，A1、A2基准为对应的基准信号参数设置，通过设置不同幅值、相位和转速的值进行拍振的耦合分析。图5为内轴转速1000RPM、外轴转速1000RPM，内轴幅值40μm、外轴幅值50μm情况下的分离效果，从图中可以看出该算法可以准确分离出内外轴的幅值。
自动平衡原理：
1.测量固定转速下的初始振动
添加试重质量
测量试重后的振动
通过式(8)计算出影响系数
2.通过式(9)计算出不平衡量
即转子系统现有的不平衡量的大小和相位，计算出配重盘的最终位置角度，来提供平衡补偿向量抵消转子系统的不平衡量；
3.应用移动算法计算配重盘的转动方向和步数，控制器发出脉冲给静环中的驱动器线圈，使动环中的配重盘按照规定方向和角度移动到第2步计算出的位置，控制平衡头移动合成内外转子的不平衡补偿质量，抵消不平衡质量，同时实时继续监测设备的振动水平。
拍振信号分离实例：
微速差信号分离的转速差设置为Δn＝20RPM，内轴转速设置为n1＝1000RPM，外轴转速设置为n2＝1020RPM。频率差为Δf＝0.33Hz，采样率fs＝25000Hz，采样数为N＝250000，采样周期T＝10s；用加汉宁窗的FFT变换对微速差信号作分离与重构，从而提取内轴与外轴的基频振动幅值与相位。下面开始实验。
1.将内外轴平衡执行器中的平衡块固定与0°、180°的初始位置，保持外轴不动，内轴转1000RPM，测量内轴的振动响应为41.57μm∠82.25°；保持内轴不动，外轴转1020RPM，测量外轴的振动响应为4.40μm∠174.40°；
2.微速差的状态下同时启动内外轴，测量双转子原始耦合振动信号，并拍振信号分离方法分离出内、外轴原始不平衡振动响应。分离后的内轴响应为41.49μm∠82.41°，外轴响应为4.41μm∠170.34°
3.从实验结果可以看出，对比单转测量与对转耦合并分离后的响应，内轴幅值误差为±0.08，相位误差为±0.16°；外轴幅值误差为±0.01，相位误差为±4.06°。
Claims (4)
1.一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：该方法的具体实施步骤如下：
(1)首先安装同轴对转双转子试验台的振动测量系统，包括两部分：配重盘定位测量和转子系统振动测量；配重盘的定位测量系统预装在自动平衡执行器内部，转子系统振动测量采用加速度传感器用来测量轴承处的双转子耦合振动；
(2)在控制软件中设置内外轴转速，使之存在微小差值且不小于20RPM；
(3)将内外轴平衡执行器中的平衡块均固定于0°、180°的初始位置，测量内外轴单转的原始振动，保持外轴不动运行内轴，测量内轴的振动响应
保持内轴不动运行外轴，测量外轴的振动响应
(4)微速差的状态下同时启动内外轴，测量双转子原始耦合振动信号，并拍振信号分离方法分离出内、外轴原始不平衡振动响应
(5)对比单转测量的振动响应与对转耦合测量后分离的振动响应，计算分离误差，判断是否在合理误差范围内；
(6)在控制软件中移动内轴平衡块，测量微速差的状态下双转子内轴试重后耦合振动信号，并分离出内轴试重后不平衡振动响应
(7)在控制软件中将内轴平衡块移到初始位置，然后移动外轴平衡块，测量微速差的状态下双转子外轴试重后耦合振动信号，并分离出外轴试重后不平衡振动响应
(8)按照上述平衡步骤所测得的数据，利用影响系数法计算出内、外转子的不平衡量
如式(3)、(4)所示；
(9)执行自动平衡；基于影响系数法的靶向自动平衡控制策略和自动平衡块移动算法，驱动两配重块移动到相应位置抵消不平衡量。
2.根据权利要求1所述的一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：
拍振波形是由频率非常接近的两个正弦波形组成，其叠加后的拍振信号如式(1)所示，当
时，形成拍峰Xmax＝X1+X2；当
时，形成拍谷Xmin＝X1-X2；通过拍峰值、拍谷值之间的加减运算算得到不同频率信号的幅值X1、X2，如式(2)所示；
式中X1、X2、ω1、ω2、
为内、外转子不平衡振动的幅值、角频率和相位，且X1>X2，
3.根据权利要求1所述的一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：拍振波形中不同频率信号的相位分离，在自动平衡执行器内安装霍尔传感器测量内外转子的基准信号，通过测量内外转子基准信号的上升沿与拍振信号拍峰位置处的相位差，得到内外转子各自振动信号的相位；首先，将得到的不平衡振动的幅值和相位作为自动平衡控制器的输入；然后，施加试重结合影响系数法计算得到内外转子不平衡量的大小和方位；最后，软件计算出两个配重块移动方向和移动步数，通过自动平衡控制器控制执行器动作以抵消转子的不平衡量。
4.根据权利要求1所述的一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：电磁式自动平衡执行器由动环、静环两部分组成，采用穿轴的安装方式，预装在靠近内、外转子桨扇的位置处；动环是关键部件，包含带有两个配重质量的配重盘，在配重盘周向装配磁极交替放置的永久磁铁，当向永久磁铁施加交变的外磁场时，实现配重盘的周向转动，通过改变外加磁场的方向，实现配重盘双向移动；当转子系统出现新的不平衡量时，通过静环励磁线圈发射电流脉冲信号，驱动配重盘移动到相应位置抵消不平衡量；同时，利用永久磁铁自身的磁场实现自锁功能，使得补偿质量在一定条件下锁定在补偿位置，持续提供平衡补偿力。
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