基于双转子航空发动机故障诊断台架的转子非线性分析

2018-06-05 10:15路子翊钱俊泽葛畅徐唐进年哲曹文倩何振鹏
科教导刊·电子版 2018年11期
关键词:航空发动机

路子翊 钱俊泽 葛畅 徐唐进 年哲 曹文倩 何振鹏

摘 要 随着航空航天技术,新能源技术的发展,各类内燃机在生产生活中得到了更加广泛的应用,如何在内燃机转子故障时找到其故障原因也成为了研究热点。本研究综述了转子试验台架的现状,介绍了转子故障实验台架的设计与研究方法,介绍了如何以传感器,信息采集系统,软件仿真模拟等技术组合实现对转子信息采集,分析判断转子状态的方法。

关键词 航空发动机 双转子 软件仿真

中图分类号:V235 文献标识码:A

0引言

转子动力学主要研究的方向包括临界转速、通过临界转速的状态等。在转子动力学中对转子研究时主要研究对象是轴承、和轉子。

现阶段主要的转子试验台研究方法包括机械结构设计,实际试验,传感器采集实验数据、数学模型建造,软件仿真等。其中软件仿真可以有效地的进行故障仿真与故障模拟,有效降低成本。现代转子动力学软件仿真使用的仿真软件有UG和MATLAB等软件。而在大量的故障实例输入学习的辅助下,人工神经网络、模糊逻辑等方法会成为研究转子动力学的有效方法。转子故障一般都为多发耦合性,在一个故障出现的情况下极易引起另一故障的发生,比如转子不对中引起的转子摩擦故障。在教研中可以利用转子试验台对这些故障分析。架转子试验台架在国内外都有着丰富的研究与实物作品。

大连理工大学利用电机驱动转子,使用各种设备连接单片机,单片机和电脑相连接,单片机处理显示信息;也可以使用虚拟技术,LabView虚拟仪器对实验室真实实验进行仿真,在台架上辅以各类传感器,进行信息采集,在已经建立好的数学模型上进行分析,该方法可以将动静态测试参数以图表、曲线等方式显示在微机屏幕上;合肥工业大学的杨中伟利用UG等软件对转子试验台架进行各零件绘制,对试验台架模型组装,建立运动副,对台架的运动进行仿真,得到相关零件的运动曲线根据分析的结果可以得知转子在不同故障下转速的变化特征,从而根据转速的变化规律来得到转速变化曲线与故障相对应的情况,使用MATLAB/Simulink对转子的故障进行模拟,将结果建立数据库,与LabView虚拟仪器相结合,由虚拟仪器来展示转子故障的仿真结果;为了解决微型发动机分析测试经费不足的问题外国的Andrew Wiegand等人将无刷直流电机与发动机连接,安装各式传感器,通过与燃烧分析仪结合等方法建立了微型发动机实验台架。

航空发动机的结构复杂,附件众多,发动机常常要工作在高温度,高负荷的情况下,这种情况下发动机极易因振动原因引发故障,威胁飞行安全。发动机中的轴、轴承和叶片等也会因振动出现故障。发动机的故障类型包括结构故障、性能故障与附件系统故障等,而结构故障是发动机故障的主要故障类型,需要对转子动力学结构特性进行研究。

1内外双转子故障模拟试验台设计

在科研实验中转子试验台要求的各种器械设备都比较昂贵,本文中的转子试验台架是为了教学使用,使用了电机驱动转子转动的方式。在航空发动机中的转子主要包括主轴,各类轮盘和叶片等。

国内的转子试验台架针对双转子航空发动机的较少,本文所介绍的试验台架是双转子实验台。因为航空发动机的结构较复杂,各种附件较多,因此对发动机的结构采取了简化。在航空发动机中的转子主要包括主轴,各类轮盘和叶片等,这里将涡轮和涡扇等作为主要研究对象采用了轴盘式结构。

图1为内外双转子故障模拟试验台模型,1-内转子滚动轴承,2-内转子前轮盘,3-同步带(1:1),4-中介轴承,5-外转子前轮盘,06-外转轴,7-同步带(1:1.2),8-外转子后轮盘,9-外转子滚动轴承,10-内转子滚动轴承,11-内转子后轮盘,12-内转轴,13-电机延长轴滚动轴承,14-电机延长轴,15-电机延长轴滚动轴承,16-联轴器,17-电机轴,18-电动机。

此民航发动机转子实验台由3根轴、1台电动机、4个轮盘、6个滚动轴承组成。电机延长轴14由电机带动,内转轴12由同步带3带动,外转子由同步带7带动。

本文所有滚动轴承均为深沟球轴承,其中内转子滚动轴承1、内转子滚动轴承10、电机延长轴滚动轴承13、电机延长轴滚动轴承15均为6040深沟球轴承,中介轴承4为61904-2RC深沟球轴承,外转子滚动轴承9为6029深沟球轴承本实验台用来模拟双转子航空发动机的转子结构。所选用轴承均为标准件。其中内转子前轮盘模拟低压压气机、外转子前轮盘模拟高压压气机、外转子后轮盘模拟高压涡轮、内转子后轮盘模拟低压涡轮。其中每个轮盘上设计有均匀分布的螺纹孔,方便增加不平衡量,用以模拟发动机转子故障。

2双转子模型的非线性特性分析

由于系统具有很强的非线性特性,采用变步长四阶-五阶Runge-Kutta法对该转子系统的动力学行为进行数值仿真研究,从而得到一系列系统振动响应图,进而分析转子系统的动力学特性。

图2除了用时改变转速以外,已控制其他变量,如转静子间隙,偏心量等参数值相同。三幅图示由上到下依次为轴承质心的轴心轨迹图、频谱图、Poincar杞孛嫱肌?

对于以上三种情况,转子系统随着转速的不断增加,轴承处运动转台都变得更加复杂化,当转速较低时,轴承处运动呈现单周期运动,但随着转速的增加,运动状态发生改变,由频谱图可以看出,在频谱图中均出现了大量的低频成分,图2-2中也出现倍频成分,这都说明转速的增加使得轴承处运动状态变得混乱,当转速增加到3500时,从以上Poincar柰伎梢钥闯觯墙牖煦缭硕?

3结束语

研究内外双转子较为复杂的转子-轴承系统,建立了内外双转子模型,根据实际得到系统的轴承参数、内外轴参数、内外轮盘参数和电机相关参数等。在建模的过程中,利用三维软件进行仿真,考虑实际搭建出现的装配问题,利用MATLAB对系统进行旋转仿真。通过给系统在不同的转速下进行仿真与实验对比,得到内外双转子系统的关键性特性参数。实验所选取观察的三个转速下,转速越高,系统运动过程中碰摩故障越厉害。对该系统进行仿真,进一步说明了内外转子系统故障极为敏感。本研究的不足在于仅对特定型号的转子实验台上进行研究,缺乏具有普适性的模型。

(通讯作者:钱俊泽)

基金项目:2017,中国民航大学,大学生创新创业训练计划项目,(IECAUC2017005)。

参考文献

[1] 孙培岩,范宝峡,唐运榜等.发动机模拟试验台[J].小型内燃机与摩托车,2001,30(06):15-18.

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[3] 杨忠伟.发动机模拟试验台架的设计研究[D].合肥:合肥工业大学,2013.

[4] Wiegand,A.&S.Miers;&D.Kowalski;,etal.Development of a Micro-Engine Testing System[C].SAE Technical Paper,2012.

[5] 周勇.民用航空发动机转子动力学研究[D].天津:中国民航大学,2016.

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