基于MIPV表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法

本发明涉及一种基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法，针对桨扇发动机转子刚度各向异性下不平衡振动难以抑制的问题。采用mems三轴振动加速度传感器实时提取桨扇发动机转子径向水平及垂直测点、轴向两固定轴承支座测点的基频振动信号，合成三维轴心轨迹，应用改进初始相位矢量(mipv)等效不平衡响应进行桨扇发动机的力和力偶动平衡，使用本方法方法实现各向异性支承下的力和力偶动平衡。提高了桨扇发动机转子动平衡效率；属于桨扇发动机转子故障诊断领域。

背景技术：

1、桨扇发动机具有耗油率低、推进效率高的典型优势，如安-70运输机(d-27桨扇发动机)比同级别喷气运输机油耗低20％以上，总体推进效率提高8％-10％，是未来战略运输机、远程轰炸机用发动机的发展方向。但桨扇发动机的突出问题是振动和噪声大。桨扇发动机转子的突出问题是振动和噪声大，桨扇发动机复杂结构导致转子-轴承系统刚度各向异性，造成动平衡效率低。因此，迫切需要开展虑及支承各项异性特征的桨扇发动机动平衡方法研究。

2、旋转机械动平衡方法主要有影响系数法、模态平衡法、以及在此基础上的改进平衡方法，适用于不同领域。但这些研究多是基于刚度各向同性假设，并采用单一测点振动进行动平衡。然而，桨扇发动机转子-轴承系统带来的各项异性特征，导致转子在径向的水平及垂直测点、轴向不同测点的振动差异显著，难以开展有效的动平衡。此外，常规轴心轨迹动平衡方法采用两个互相垂直安装的振动传感器完整获取转轴径向水平及垂直方向的二维轴心轨迹。但这种采集方式只考虑了径向两互相垂直方向的振动，未考虑轴向不同测点的振动差异，且不能检测力偶不平衡，不能有效平衡力偶不平衡。

3、改进初始相位矢量(mipv)可以避免桨扇发动机转子刚度各向异性导致的初始相位矢量(ipv)稳定性差的问题。mipv可以把桨扇发动机转子的非线性椭圆轴心轨迹进行线性归一处理，从而线性表出各向异性支承下的振动轴心轨迹，应用mipv等效不平衡响应进行桨扇发动机转子的力和力偶不平衡。本发明使用mems三轴振动加速度传感器实现有限测点下三维振动的实时监测，提高测量效率，有利于在真实桨扇发动机上推广应用。

4、针对桨扇发动机转子的动平衡方法中，公开号为[cn117147057a]的专利提出‘基于mems三轴振动加速度传感器的对转桨扇轴心轨迹重构方法’，此方法通过拍振解拍的方式辨识两测点对转桨扇发动机内、外转子水平和竖直方向的幅值和相位，通过初始相位差判断力和力偶的存在状态，通过主振矢等效不平衡响应进行动平衡，并判断对转桨扇发动机的运行状态是否平稳。而本方法使用改进的初始相位矢量(mipv)等效桨扇发动机的不平衡响应，从而线性表示出各向异性支承下的桨扇发动机转子的不平衡响应。本方法针对的是系统中同时存在力和力偶不平衡的混合形式不平衡，本方法可以将混合形式不平衡分解为力不平衡和力偶不平衡，从而分别抑制各向异性支撑特性下的桨扇发动机转子中的力和力偶不平衡。此外，本方法能同时监测桨扇发动机转子径向水平及竖直测点、轴向两固定轴承支座测点的不平衡振动，能同时抑制桨扇发动机转子径向水平及竖直测点、轴向两固定轴承支座测点的不平衡振动。

5、在基于轴心轨迹的动平衡方法中，公开号为[cn101907089a]的专利提出‘一种基于三维空间轴心轨迹的压缩机轴系故障诊断方法’，该方法使用三个电涡流传感器测量单一测点三个方向的振动信号，将三个信号瞬时幅值一一对应形成三维轴心轨迹。而本专利是将两固定轴承支座平面的二维轴心轨迹以直线相连接的方式形成的三维轴心轨迹。公开号为[cn101387575]的专利提出一种‘一种转子轴承系统故障全信息分析方法及装置’。公开号为[cn114897017a]的专利提出‘一种旋转机械转子的轴心轨迹识别方法及装置’。

技术实现思路

1、本发明的技术目的在于提出一种基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法。首先，采用mems三轴振动加速度传感器实时提取桨扇发动机转子在径向水平及垂直测点、轴向两固定轴承支座测点的基频振动信号，将两固定轴承支座测点的径向水平及竖直方向的振动信号分别合成二维轴心轨迹，然后，将两固定轴承支座测点的二维轴心轨迹合成三维轴心轨迹。其次，将基频椭圆轴心轨迹转换为基频圆形轴心轨迹，通过对比添加试重质量前后ipv在基频椭圆轴心轨迹和mipv在基频圆形轴心轨迹中扫过的面积，得出mipv的幅值和相位。最后，用mipv表征桨扇发动机转子的不平衡响应，计算出不平衡响应中的力和力偶分量，计算出桨扇发动机转子力和力偶平衡质量，计算出加在桨扇发动机转子的两个配重盘上的配重质量，同时进行桨扇发动机转子的力和力偶动平衡。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法，具体包括以下步骤：

4、步骤1、模拟某型桨扇发动机结构搭建桨扇发动机转子试验台，验证基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法。采用电机驱动转子，转子通过联轴器直连驱动电机。通过自主开发的转子电机控制程序自由控制电机的转速，实现转子工况的模拟。转子转速范围0～3700rpm，涵盖所需测试转速。在转子上装配两个配重盘，配重半径为206mm，每个盘上有24个均匀分布的螺纹孔，用以施加模拟力和力偶不平衡的配重块。

5、步骤2、振动采集系统包括一个光电传感器、两个mems三轴加速度传感器、一套数据采集系统、一台上位机和信号处理软件。光电传感器测量转子的转速和键相，两个mems传感器分别粘接在两固定支撑轴承座上，采集桨扇发动机转子水平及垂直方向的基频振动信号。基频振动信号经数据采集系统进入上位机软件，采用labview和matlab软件编程实现基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡。

6、步骤3、左测点固定轴承支座的平面e1中，使用mems传感器在固定轴承支座平面上测得的径向水平及垂直方向基频振动信号合成基频椭圆轴心轨迹。第i段基频振动信号表示为：

7、

8、式(1)变化为：

9、

10、其中sxi和cxi为基频振动信号xi的正弦和余弦系数，syi和cyi为基频振动信号yi的正弦和余弦系数,sxi、cxi、syi、cyi分别为：

11、

12、基频椭圆轴心轨迹的长轴p、短轴q分别表示为：

13、

14、式中m＝sx2+cx2+sy2+cy2，n＝2cxsy-2sxcy。从动力学的角度看，基频椭圆轴心轨迹的面积代表了该平面内的不平衡振动能量，为了保持基频椭圆轴心轨迹的总面积不变，将其转换为基频圆形轴心轨迹。定义基频圆形轴心轨迹的半径如下：

15、

16、则mipv的幅值为r，mipv的相位β可通过添加试重质量前后ipv的变化量计算得出。添加试重质量后基频椭圆轴心轨迹中的ipv从变为φ1、φ2分别为ipv为和时的相位，ipv的相位变化量为δφ，该相位变化扫过的面积为：

17、

18、在基频圆形轴心轨迹中，mipv扫过的面积表示为：

19、

20、根据s1＝s2，可计算出δγ为:

21、

22、由此，mipv在添加试重前后的相位β1和β2可以分别表示为：

23、

24、对以右测点固定轴承支座的平面e2的mipv的幅值和相位的提取过程与左测点相同。

25、步骤5：用mipv表征桨扇发动机转子的不平衡响应，进行桨扇发动机转子力和力偶动平衡。

26、在两固定轴承支座平面e1、e2中，计算出原始不平衡响应分别为mipv1和mipv2，在桨扇发动机转子试验台的配重盘d1、d2上同时加重和加重引起的不平衡力f1和f2，会与原有的不平衡力p1和p2合成为残余不平衡力f1和f2，f1和f2可分解为一对大小相等、方向相同的对称力fs，以及一对大小相等、方向相反的反对称力fc1和fc2，对称力fs、反对称力fc1和fc2分别对应系统中的力不平衡和力偶不平衡。

27、测得平面e1、e2的试重不平衡响应为mipv3和mipv4。平面e1、e2上由加重和导致的振动变化量δc和δd分别为：

28、

29、振动变化量的对称分量as和反对称分量ad分别为：

30、

31、|as|、|ad|分别表示振动变化量的对称分量幅值和反对称分量的幅值，α、β表示相位。as、ad分别由加重质量和中的对称加重质量和反对称加重质量引起。

32、力平衡加重ms和力偶平衡加重md分别为：

33、

34、根据公式(19)计算出，在配重盘d1、d2上应加的配平质量qo1、qo2为：

35、

36、基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法能有效抑制具有刚度各向异性特征的桨扇发动机转子在径向水平及垂直方向测点、以及轴向两测点的力和力偶不平衡振动。

37、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

38、1、本方法实现有限测点下三维振动的实时监测，大大提高了测量效率，有利于在真实发动机上推广应用。本方法还能同时监测力不平衡响应和力偶不平衡响应。

39、2、本发明考虑桨扇发动机转子系统的各向异性特征，通过mipv将桨扇发动机转子的非线性椭圆轴心轨迹进行线性归一处理，从而线性表出各向异性支承下的振动轴心轨迹，且同时考虑了轴向不同测点的振动差异。

40、3、针对桨扇发动机转子系统中力和力偶不平衡同时存在的混合形式不平衡故障，提出的基于mipv表征不平衡响应的桨扇发动机转子力和力偶动平衡方法，本方法已通过桨扇发动机转子模拟试验台证明其有效性，能同时平衡系统中的不平衡力和力偶，以达到更精确的效果。

41、4、通过实验对比传统谐分量和双面影响系数法的动平衡效果，可以看出，本方法通过使用mipv等效桨扇发动机转子的不平衡响应，动平衡降振效果明显提升。

42、5、对于大型旋转机械而言，机组启停一次的经济成本较高，实施动平衡时亟需在尽可能少的启动次数中达到最佳效果。与双平面影响系数方法等需要添加两次以上试重的动平衡方法相比，本方法仅需添加一次试重即可使两固定轴承支座平面的振动幅值显著降低，提高了动平衡效率。