特定类型涡扇发动机整体振动模型与松动故障和套管响应特性的支持

文摘

支持松动故障是一种常见的在航空发动机故障。严重松动故障下会出现较大的不平衡力,这将导致过度的振动,甚至导致摩擦的错,所以重要的是要分析和识别有效松动故障。本文基于特定类型涡扇发动机结构特点,特定类型的rotor-support-casing整个模型建立了涡扇发动机。转子和外壳系统建模通过有限元梁法;支持系统建模的集中质量模型;还介绍了支持松动故障模型。耦合系统的响应是通过数值积分方法。本文基于套管加速度信号,对称刚度特性的影响和非对称刚度模型进行了分析,发现松动故障会导致加速度时域波的纵向不对称特性和多个频率特征,这与真正的试验运行振动信号是一致的。非对称刚度松动模型验证了适合航空发动机松动故障模型。

1。介绍

松动故障是旋转机械的常见故障,这是由低安装质量或长期振动引起的。当松动故障存在于rotor-support-casing系统时,转子会周期性地举起;如果转子系统的不平衡力大于重力,它会引起严重的振动。严重松动故障可能导致rub-impact转子和定子之间的断层。因此,有效松动故障的识别具有重要意义。

目前,许多学者进行了一些有效松动故障,主要基于集中质量模型。Muszynska和高盛(1]研究one-lateral-mode不平衡和激进side-loaded转子与一个松散的基座或偶尔rotor-to-stator摩擦,这表现出周期性的振动同步(1×)和次同步的(1/2××1/3,…)订单,以及混乱的转子的振动模式,都伴随着更高的谐波。高盛和Muszynska [2)开发了一个分析算法为研究当地的转子系统的非线性影响。他们使用专门研制的变量变换使不连续,然后应用一种平均技术。结果显示良好的协议与实验观察到典型的行为和摩擦转子的轨道。在过去的两篇论文,该类在系统响应的影响也进行了研究。Muszynska [3这种现象的数学模型进行了研究松散的旋转部件的旋转机器。朱棣文和唐4)建立了一个非线性数学模型,包括刚度和考虑阻尼力与三线的形式。拍摄方法用于获得系统的周期解。这些周期解的稳定性进行了分析通过使用弗洛凯理论。倍周期分岔和Neimark-Sacker分歧被发现。最后,综合了控制方程四阶龙格-库塔方法。三种路线,或从混乱中,也就是说,period-to-chaos,准周期的路线,和间歇性,被发现。陈(5)建立了一个新的rotor-ball bearing-stator耦合动力学模型的非线性动态响应特性rotor-ball bearing-stator系统不平衡和松动耦合故障。陆和楚6]研究了松动故障转子系统的实验。多个频率和频率划分的特点被发现。霁,祖茂堂7]分析了自由与强迫振动的非线性轴承系统说明了非线性效应对自由和强迫振动系统的多尺度方法。他等。8和李和崔9]研究了转子系统的故障诊断与该类不同的分析方法,如遗传算法和简要地变换。Reddy和Sekhar10)人工神经网络用于识别不平衡和松动。马等。11)建立了一个力学模型上的紧固螺栓松动的轴承座和转子的动态特性调查使用非线性油膜模型。

近年来,有限元法已用于建立松动故障模型,国内外学者。将核技术和Asayeshthe12)提出了一种有限元方法研究松散的影响旋转磁盘对转子-轴承系统的反应。李等人。13]研究了广义有限元建模方法的转子-轴承系统采用状态方程纽马克法是基于平均速度的概念。马等。14)建立了该类转子系统的有限元模型源于松开螺栓和松动的影响参数对其动态特性进行了分析。

然而,目前,有一些工作在航空发动机支持松动故障分析。由于在航空发动机轴承刚度低、薄壁结构的广泛使用在转子和外壳,其极大的灵活性,和套管加速度信号是重要的区分航空发动机故障,所以针对特定类型涡扇发动机,具有重要意义,建立一个整体的rotor-bearing-casing耦合模型系统,使研究加速度松动故障的响应特性。

本文有限元模型的特定类型和松动故障,建立了涡扇发动机。轴承和套管之间的松动故障模型进行了研究。数值积分方法用于解决系统的响应。套管加速度响应特性的时域和频域进行了分析。最后,仿真与实际试车的涡扇发动机的振动信号,和连接器松动的特点进行了分析。这是证明了航空发动机支持松动故障模型是有效的。

2。为特定类型涡扇发动机动态模型

2.1。对于某些类型涡扇发动机的结构示意图

Rotor-bearing-casing为特定类型涡扇发动机结构示意图如图1。这些符号在图1描述如下:表示风扇盘;表示电动机磁盘;表示压缩机磁盘;表示第一涡轮盘;表示第二涡轮盘;表示中间套管;表示设备风扇轴和传动轴之间的耦合;表示齿轮传动轴和压缩机轴之间的耦合;表示齿轮压缩机轴之间的耦合和涡轮机轴;表示球迷支持点轴承;表示压缩机前支持轴承;表示压缩机后方支持轴承;表示涡轮机轴承的支持;表示前面安装节点;表示后面安装节点;齿轮的啮合刚度;,,,转子和外壳之间的支持刚度;和之间的连接刚度套管和基地。

rotor-support-casing耦合动态模型建立了涡扇发动机。其具体的建模方法描述如下。

2.2。动力学模型

2.2.1。转子模型

转子是由大量的刚性和弹性轴旋转磁盘。弹性轴由梁单元模型,离散和剪切变形和陀螺力矩和轴被认为的惯量;刚性旋转磁盘被建模为离散的集中质量,质量、惯量、陀螺力矩。所有部件是由非线性耦合的部队和时刻。转子有限元动态模型如图2。

这些符号在图2描述如下:对于每个转子轴梁元素,,,,,,,分别是弹性模量、惯性矩、剪切模量、泊松比、轴长度、密度轴,轴的横截面积。是刚性旋转磁盘;,,,力量和行动的时刻是什么转子的节点和的方向。在图3是一个固定的坐标系统;在变形状态下,任意截面的位置相对于固定坐标系确定如下:弹性轴中心线位置是由位移在方向和位移在方向;横截面方向是由周围的角设在和角在设在;此外,该截面还在旋转着设在。

(1)刚性圆盘元素的运动方程。假设圆盘的质量diameteral惯性矩,极惯性矩;极惯性矩,和第二个任期是指显示为“磁盘”;是磁盘的旋转速度。通过拉格朗日方程可以求得刚性圆盘的运动方程相对于固定坐标系: 在哪里是广义外力向量;和分别是,质量矩阵和质量惯性矩阵;陀螺矩阵;和是广义位移向量,。然后,

(2)梁元素的运动方程。本文采用梁单元,每个8自由度梁单元有2个节点,每个节点有4个自由度,位移,分别和在和方向,旋转角度和在设在和设在。元素的横截面的位移的函数是时间和位置沿元素轴。广义位移向量的元素。通过拉格朗日方程、运动方程的梁单元相对于固定坐标系可以获得: 在哪里是广义外力向量;和分别是,质量矩阵和质量惯性矩阵;陀螺矩阵;矩阵元素的弯曲和剪切僵硬;和是元素的拉伸僵硬矩阵。这些矩阵可以在文献中找到15]。

转子系统的运动方程,通过元素的运动方程可以获得,这是 在哪里是广义外力向量;质量矩阵;陀螺矩阵;是系统的刚度矩阵;和系统的阻尼矩阵。

在这篇文章中,被认为是比例阻尼矩阵,即,其中,和是常数。因为阶阻尼比 很明显,在任何两个转子的固有频率和阻尼比是获得模态实验,和可以解决(5),系统的阻尼比矩阵可以获得。

2.2.2。壳模型

在一般情况下,套管的有限元模型可以由梁单元构造,锥壳元素,表面壳单元。然而套管是一个壳层结构,其振动模态有多种形式,其周向波数,等等。然而,当转子的套管夫妻,只有波数1的模态出现,转子的横截面不变形。因此,套管可以使用普通梁单元由不旋转(15]。

摘要套管被建模为梁不旋转,转子建模,通过有限元建模方法套管的运动微分方程 在哪里是广义激发力矢量;是套管的质量矩阵;是外壳的刚度矩阵;是套管的阻尼矩阵;同样的,被认为是比例阻尼矩阵。

2.2.3。离散支持模型

(1)转子和外壳之间的联系的支持。每个转子和外壳之间的联系的支持()包括滚珠轴承和轴承箱。假设是轴承的外部质量;轴承箱的质量;是外环之间的支持刚度和轴承的房子;是外环之间的阻尼系数和轴承箱;和,分别是套管之间的支持刚度和阻尼系数和轴承箱。如图3,和转子的力是作用于支持吗和和套管的力是作用于支持吗。假设的支持是与转子和th节点节点的套管。本文之间的松动故障轴承的房子和套管。

摘要轴承外环应该是固定在轴承箱和内圈固定在转轴上。假定的位移转子的节点和;让,;据陈et al。16),球力可以表示为

的公式,赫兹接触刚度,可以获得非线性赫兹弹性接触分析的内部种族,外环和球亥维赛函数;当函数自变量大于0时,函数值是1;否则它是0。是th球的角度位置,,,在那里是球的数量。笼子里的旋转速度。假设外环半径,内环半径,,是轴旋转角速度。

因此,轴承外环的运动微分方程 在哪里和阻尼力;如果考虑粘滞阻尼,那么

(2)耦合转子和转子之间的联系。假设耦合连接()连接节点的左转子和th节点对转子的径向刚度的耦合角刚度,辐射阻尼和角阻尼。我们的广义位移离开了转子的th节点;速度是;让对转子的节点位移;速度是。然后,部队和采取行动的时刻节点的左转子,,,和力量的时刻,,,为对转子的节点

(3)轴承箱松动模型。一般来说,对称刚度和不对称刚度模型(4,5)被认为是松动故障模型。但目前松动刚度模型没有普遍的定义。本文仿真分析了在两个条件。被认为是轴承箱和套管之间的等效刚度。条件下的相对位移,分段线性刚度和轴承箱之间的套管是本文;被认为是松动的轴承箱。分段非线性刚度可以表示如下。

非对称刚度: 对称刚度: 在哪里轴承的位移住房和吗套管的位移;的刚度方向方向和方向是相同的。公式应用在水平和垂直方向。

2.2.4。弹性支承(安装节点)之间的外壳和基地

弹性套管和基础之间的联系()连接套管th节点和基础,支持刚度和阻尼。我们的位移节点的套管和速度;然后上的力th节点的套管和是

2.3。解决有限元Rotor-Support-Casing耦合动力学模型

因为有限元rotor-support-casing耦合动态模型的自由度非常大,此外,有很多强大的非线性因素,本文结合时间集成方法用于解决系统的响应,并结合隐式纽马克-β方法和改进的显式纽马克-β方法(翟(17])。这种有限元转子支承耦合动态解决方案过程如图4。

组合方法的优点介绍如下:(1)纽马克-β方法用于解决转子和套管的有限元模型,和翟方法用于解决集中参数模型的支持;因此,组合方法非常适合解决耦合系统;(2)巨大的矩阵不需要形成,以及转子和外壳的矩阵不需要组合成一个大型矩阵;因此,可以大大提高计算效率。

3所示。松动故障分析

3.1。动态模型参数

转子的有限元参数、套管,rotor-casing-bearing系统的连接参数如表所示1,2,3,4,5,6,7。

3.2。计算条件

(1)轴承箱和套管之间的松动故障被认为是在水平和垂直方向,和他们的宽松量都是1.0μm。(2)风扇支点和前面的松动故障压缩机支点。(3)输出是套管水平和垂直振动加速度响应的压缩机支点。(4)速度范围是10000 - 30000 rpm。

3.3。临界转速分析

图5轴承箱的显示了amplitude-speed曲线横向加速度,第九节点的套管横向加速度,压缩机转子横向位移在第一个节点不平衡的错。从这些数据可以看出,一阶和二阶临界转速17300转18500 rpm,分别。

3.4。自相关法

自相关技术可用于信号滤波器在信号弱和声音能量很大,这是有效的转子系统中检测微弱周期信号成分和提取感兴趣的频率成分和多个频率成分。

由于航空发动机转子振动信号周期,时域自相关监测方法可以有效提高监控的能力弱周期信号条件下的正弦信号频率的位置。埋在噪声的周期信号可以提取和检测信号幅值具有较高的精度。描述的步骤如下。(1)拦截分平稳随机信号,可以获得,然后利用FFT,因此可以获得。(2)分裂的振幅的平方通过,从而可以获得。(3)利用传输线可以获得,其相关函数。

3.5。轴承箱的特性加速度响应、套管的加速度反应和不对称下的转子位移刚度模型

图6显示了级联轴承箱的情节侧向加速度响应速度不同;图7显示套管横向加速度响应的级联图九节点速度不同;图8显示了级联的情节压缩机转子横向位移在第一个节点速度不同,根据非对称刚度方程(11)。图6表明,高次谐波共振出现在速度和超谐共振出现在速度高于二阶临界转速。比较数据6- - - - - -8,我们发现轴承箱的多个频率成分加速度响应和套管加速比的多个频率成分明显转子位移响应。

数据9,10,11显示时域波形和频谱的套管在每分钟19500转的速度,加速度响应26000 rpm, 30000 rpm,得到降噪前后的自相关。从这些数据可以看到,有许多多个频率成分和分裂频率成分,松动故障造成的;降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性与截断形状的波形,这是纵向不对称。套管加速度时域波形可以确定松动故障的特点。

图12显示了级联轴承箱的情节侧向加速度响应速度不同,根据对称刚度方程(12)。从这些数据可以看到,没有很多多个频率成分和松动故障特征不明显。图13显示时域波形和频谱的套管在每分钟25000转的速度,加速度响应获得降噪前后的自相关。从这些数据可以看到,加速度响应的频谱出现倍频,由松动故障引起的。从这些数据可以看到,冲击特征不明显,没有截断的波形形状,许多无法从多个频率成分的频谱图。

3.6。轴承箱之间的松动刚度的影响和套管

为了研究松动刚度的影响在整个航空发动机振动,压缩机轴承箱之间的松动刚度套管是减少两倍,增加了两倍,分别和套管加速度信号的特征进行了分析。

图14显示了套管的级联图横向加速度响应速度不同根据非对称刚度方程(11),当松动刚度在压缩机轴承箱之间套管是减少两倍。从这些数据可以看到,有许多多个频率成分和分裂频率成分,松动故障造成的。图15显示时域波形和频谱的套管在每分钟17000转的速度,加速度响应获得降噪前后的自相关。从这些数据可以看到,降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称。由套管松动故障会判断加速度时域波形。

图16显示了套管的级联图横向加速度响应速度不同根据非对称刚度方程(11),当松动刚度在压缩机轴承箱之间套管是增加了两倍。从这些数据可以看到,有许多多个频率成分和分裂频率成分,松动故障造成的。图17显示时域波形和频谱的套管在每分钟21000转的速度,加速度响应获得降噪前后的自相关。从这些数据可以看出,波形的特点是一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称。我们可以看到从松动故障的支持刚度的影响特点,不同的支持刚度影响不大松动故障的时域特征,但有一些差异谱;即较高的支持刚度将产生更高的多个频率成分。

4所示。真正的试验运行数据验证和分析

图18显示了真正的级联图试验运行数据。测量的点是压缩机的压缩机套管水平和垂直方向支点。从这些数据可以看到,有许多多个频率成分和分裂频率成分。数据19,20.,21显示时域波形和频谱的套管在每分钟24000转的速度,加速度响应27000 rpm, 29000 rpm,分别获得降噪前后的自相关。从这些数据可以看到,降噪前的时域波形特征的自相关并不明显;然而,降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性与截断形状的波形,这是纵向不对称。真正的审判运行数据和发动机的分解表明,涡扇发动机提出了轴承外圈明显磨损的不均匀磨损的现象,这证明了存在松动的支持。基于故障仿真分析,只有非对称刚度套管松动故障激发的加速度信号,这非常类似于真正的试验运行数据。不仅是多个频率特征在频域相似,而且降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称。在某种程度上,引擎故障的来源是由宽松的支持,这表明松动故障将是一个主要的错。

5。连接器松动故障实验验证

5.1。接头松动实验原理

为了验证连接器松动故障的非同步的响应特性,实验平台建立松动间隙,连接器松动实验进行。图22是松动故障的实验站点地图,图吗23是松动故障的实验原理图,图吗24是实验松动故障的三维图。

图24显示第二个磁盘是通过弹簧连接到第三盘,第三个磁盘是通过螺栓连接到振动台,和第一个磁盘连接到第三盘通过使用三个波兰棒。然后第一个磁盘,第三盘,振动台振动起来。第一个和第二个磁盘由弹簧连接,接头松动故障模拟通过控制间隙。

在实验期间,第一个磁盘,第三盘,地下室和振动台振动起来,激发第二个磁盘。当第二盘和第三盘之间的相对位移较小,春天不联系第二个磁盘,所以只弹簧连接刚度。当第二盘和第三盘之间的相对位移较大,春天与第二个磁盘,所以弹簧连接刚度。

的能量振动台输入功率放大器和反馈控制实现振动信号的软件和振动加速度传感器在第三盘。振动台的振动控制在指定的频率和振幅振动控制器。第二盘的振动加速度测量的振动加速度传感器在第二块硬盘。收集到的数字信号输入到电脑保存的NI usb - 9234捕捉卡。

为了获得振动系统的振动性能,应用在振动台激励通过使用线性正弦扫频方法从5赫兹到100赫兹,和松动故障特征在不同频率。

5.2。松动故障的实验验证

5.2.1。分析第二个磁盘响应在不同接触形式

在这项实验中,第二个磁盘的加速度测量的三种方法;即(1)当第二个磁盘不接触弹簧第二与第三只接触磁盘通过弹簧振动系统是一个线性系统,实验结果如图(25日);(2)当第二个磁盘总是接触弹簧,第二个磁盘接触第三和第一磁盘通过弹簧和振动系统也是一个线性系统,其弹簧连接刚度,实验结果如图25 (b);(3)当第二个磁盘和春天之间有间隙,在不同的相对振动位移之间的第二个磁盘和第一个磁盘,第二个磁盘可能接触弹簧不租,振动系统是一个非线性系统,实验结果如图25 (c)。

图(25日)表明,当第二个磁盘不接触弹簧振动系统是一个线性系统,其固有频率是14.6赫兹。图25 (b)表明,当第二个磁盘总是接触弹簧振动系统也是一个线性系统,及其弹簧连接刚度,所以它的固有频率是51.22赫兹。当有松动间隙,第二个磁盘可能接触弹簧与否。振动位移较大时,第二个磁盘将接触弹簧只有一半时间在一个运动周期。此时,系统的固有频率是18]

根据(14),计算结果是22.7赫兹,实验结果是22.2赫兹,如图25 (c)。显然,充分分析结果进行了验证。

5.2.2。宽松的特点分析

图26三维瀑布图的第二个磁盘振动加速度随激励频率变化和响应频率。图26表明,倍频激励频率时出现1/2分频激励频率时出现,1/3频分出现当激励频率是3。

图27显示时域波形和频谱的第二个磁盘,当激励频率是12.5赫兹,得到降噪前后的自相关。如图27当激励频率等于1/2,更大的双频率成分出现,也就是说,系统的固有频率;降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性与截断形状的波形,这是纵向不对称。

图28显示时域波形和频谱的第二个磁盘,当激励频率是45赫兹,得到降噪前后的自相关。如图28,当振动台的频率等于2,更大的1/2分频率成分出现,也就是说,系统的固有频率;降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性与截断形状的波形,这是纵向不对称。

图29日显示时域波形和频谱的第二个磁盘当激励频率80赫兹,得到降噪前后的自相关。如图29日,当振动的频率表3所示,大1/3分裂频率成分出现,也就是说,系统的固有频率;降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称。

相比之下,不同频率的振动台,接头松动故障,降噪后的加速度波形自相关特征,是一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称,可以认定为降噪后的波形自相关的一个典型的冲击特性,松动故障。

6。结论

本文特定类型涡扇发动机整体振动模型的支持下建立松动故障和套管的加速度响应。得到了一些结果如下。(1)针对特定类型涡扇发动机,松动故障的动态模型。滚动轴承的非线性模型中被认为是。各种支持连接使用,也就是说,支持机壳和转子之间的联系;两个转子之间的耦合连接;和弹性转子和外壳之间的联系。(2)松动模型刚度不对称和对称刚度的确定。轴承之间的松动故障的存在和套管。数值模拟方法是用来获取发动机套管松动故障下的加速度响应。(3)仿真结果与实际试验运行振动信号和连接器松动故障实验,和模拟故障特征非常相似与实际试验运行振动特性和连接器松弛特征。波形的特征,是一个典型的冲击特性,截断的波形形状,这是纵向不对称,还有很多多个频率成分和分裂频率成分,这将提供一个支持松动故障的定性判断发动机故障诊断。此外,对比仿真结果和实际试验运行振动信号也显示不对称刚度松动模型的有效性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由江苏为研究生教育创新项目资助(KYLX_0295),中央大学,基础研究基金和NUAA基础研究基金(没有。NS2013070)。

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