航空发动机支承不同心耦合故障振动机理研究与特征分析

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1 航空发动机支承不同心耦合故障振动机理研究与特征分析
学生： 王海飞 导师： 陈果 教授 专业： 载运工具运用工程 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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目录 1、课题研究的意义 2、国内外研究现状 3、课题研究方案 4、课题研究的具体内容 5、可行性分析 6、研究计划和进度 7、预期研究成果 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究意义 航空发动机是现代军用和民用飞机的主要动力。所谓发动机的整机振动，就是这一系统在各种激振力作用下的响应。如果整机振动过大，可能造成转子与静子在小间隙处（如密封、叶尖）的碰摩，轴承载荷过大，附件振动应力超标，驾驶员及乘客的不适，飞机仪表板上指针晃动，甚至会危及飞行安全导致灾难性的事故。目前，在我国航空发动机研制和使用过程中，整机振动问题异常突出。造成航空发动机整机振动超标的原因有很多，主要包括：转子的残余不平衡、转子初弯曲、转子不对中、转静碰摩、轴承座松动、转轴裂纹和轴承损伤等等。 转子系统不同心模型 某型发动机3支点转子系统 前两个支点跨度较短 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究意义 航空发动机研制表明：支承不同心是引发航空发动 机振动超标关键因素。 在航空发动机结构振动中，支承不同心包括： （1）转子不同心 由于加工装配引发的多盘转子形成的中心线与旋转中心线不重合，形成 弯曲故障； （2）转静不同心 由于工作中机匣变形或装配中转子偏移而导致间隙不均匀，因此引发转 静不同心，该故障易引发转静碰摩； （3）连接件松动 由于支承不同心，导致支承螺栓的拧紧力矩不均匀，从而引发轴承座与 机匣或轴承外圈与轴承座间的连接松动，这就导致支承松动故障； （4）转子不对中 支承不同心导致转轴间的角度偏移，形成转子角度不对中。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究意义 由此可见，要对航空发动机振动故障实现准确诊断，对整机振动实施有效控制，必须要能够准确有效地模拟与支承不同心相关的耦合故障所引发的航空发动机整机振动，显然，建立有效地航空发动机整机动力学模型，研究与支承不同心相关的耦合故障机理和故障特征分析，对于发动机整机振动故障诊断和振动抑制具有重要意义。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 建模研究现状 整机振动建模 计算转子-支承系统的临界转速和不平衡稳态响应的主要方法常规的传递矩阵法、Riccati传递矩阵法以及各种改进的传递矩阵法，如子结构传递矩阵法、传递矩阵-阻抗耦合法、传递矩阵-直接积分法等，有限元法和子结构模态综合法。 计算转子系统的瞬态响应分析方法有传递矩阵-直接积分法、模态综合法（包括传递矩阵-模态综合法和有限元-模态综合法），其中模态综合法是当今应用最广泛、最有效的方法 。 1） 郑旭东等应用整体传递矩阵法对某型发动机转子-支承-机匣-安装节系统进行了整机临界转速及应变能分布的计算与分析，并与整机振动的测试结果进行了对比分析，其计算结果与测试结果基本一致。 2） 欧园霞等将模态综合法与有限元素法相结合，对发动机转子-支承-机匣系统的整机振动特性进行分析。用状态空间广义模态综合法计算轴对称转子与机匣间的耦合振动，用复模态综合法计算非轴对称转子与机匣间的耦合振动。子结构分析采用有限元素法。转子采用具有粘性阻尼，考虑剪切变形的有限转子元素，用承受非轴对称载荷的截锥壳元素离散机匣。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 建模研究现状 3）洪杰等针对转子支承动刚度对转子动力特性的影响，分别运用静刚度、动刚度和整机有限元模型对某型发动机进行了转子动力特性计算，并对各种计算结果进行了比较和分析；分析了转子支承动刚度剧烈变化的原因，同时指出运用整机模型能够分析支承动刚度和各种机匣的局部振动对整机振动的影响。 4）Sun G等提出了一个双转子燃气涡轮发动机有限元模型，利用数值积分方法计算了叶片丢失下产生的突加不平衡响应，考虑了滚动轴承的接触非线性、挤压油膜力的非线性以及在叶片丢失期间轴承部件的热增长效应。 5）Hai P M等建立了一个带非线性挤压油膜阻尼器轴承的双转子动力学模型，提出了一个直接在时域计算发动机整机振动的新的隐式IRM（Impulsive receptance method）方法，其基本思想是首先利用NASTRAN有限元软件求取线性无阻尼系统的模态参数，然后用MATLAB软件进行非线性数值仿真分析，其计算速度与传统方法相比，提高了约40倍。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 故障研究现状 松动故障建模 1） Muszynska建立了一端不平衡，轴承座松动以及转静间碰摩转子-轴承-静子模型，展示出周期运动，分数次周期以及倍周期非线性特征。 2） 马辉等基于有限元法，建立了考虑松动、碰摩以及松动-碰摩耦合故障转子-轴承系统动力学模型，研究了碰摩、松动故障以及松动-碰摩耦合动力学特性。 3） 刘献栋等建立了针对滚动轴承转子系统松动故障模型，得出小波变换不但能很好地诊断滚动轴承-转子系统的支承松动故障，而且能比Fourier变换在更低转速下诊断出转子系统的松动故障。 4）刘杨等建立了双盘三支撑的松动-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型，发现松动-碰摩耦合转子常常以碰摩故障特征为主，并且时域波形高矮峰交替出现，轴心轨迹呈现“梯形”。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 故障研究现状 弯曲故障建模 1）冯国权等从动力学理论出发，建立了适合工程应用的多自由度分析模型，同时考虑了陀螺力矩，可以跨越几阶临界转速，同时对比了初始弯曲响应与不平衡响应的特点。 2）邹剑等基于简单铰链裂纹模型,建立了含初始弯曲裂纹转子的动力学模 型，得到了裂纹转子振动响应的仿真解; 讨论了含初始弯曲裂纹转子的亚谐波 共振特性及其与无初始弯曲裂纹转子频率成分的差异; 数值仿真研究了刚度变 化、初始弯曲、质量偏心以及质量偏心角对裂纹转子轴心轨迹的影响,从而为裂 纹转子的故障诊断提供了依据. 3）林富生等建立了位于机动飞行飞行器内且同时具有初始弯曲、不对称刚 度和质量不平衡的单盘 Jeffcott转子的动力学模型。 4）沈小要等建立了一个具有初始弯曲的不平衡转子模型,通过 dA‘lembert原 理推导了振动方程。通过解析方法, 分析了此类转子转静件间发生碰摩的条件。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 故障研究现状 叶片-机匣碰摩故障建模 1）Sunil K等对旋转Timoshenko梁自由端受到径向的周期性脉冲载荷下的非线性动态响应 ，数值结果表明：此硬性摩擦振动冲击是有不同的摩擦系数和接触负载时间。梁叶尖碰摩力传输的效应被认为是分析旋转叶片的间歇碰摩的动态稳定性的条件。 2）Kevin Turner等模拟发动机叶片叶尖碰摩引起的振动，跟踪叶尖接触力分布和叶片运动，通过整个模拟时间框架，包括叶片运动期间，之间和之后连续机匣碰摩，有效地分析模拟完整的瞬变涉及多个叶片连续的侵入（叶片机匣碰摩） 。 3）刘书国等基于LS-DYNA软件对航空发动机叶片-机匣碰摩过程进行了数值模拟，考虑了实际叶片的叶形特征，分析了叶片顶部在受瞬时碰撞与摩擦载荷(碰摩载荷)共同作用下的动力学响应。 4）太兴宇等将叶片简化为悬臂梁，采用Timoshenko梁单元建立了叶片在脉冲力加载下的动力学方程，同时考虑了柯氏力与离心力的影响。对不同转速下的叶片的动力学特性进行数值仿真。 5）WILLIAMS提出了一个新的叶片机匣碰摩建模方法，该模型包括了机匣内衬磨损的精细模型，并通过实例证明该方法的适用性。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 故障研究现状 不对中故障建模 1）Dewell等通过对作用于齿轮联轴器上内摩擦力矩分析，得出了在转子旋转时会产生2，4，6，8，…等偶数倍频的弯曲振动分量。 2）Feng 等分析了一个多支承的转子系统，指出不对中量和轴承类型能够影响系统的固有特性。 3）何成兵等以齿式联轴器的不对中故障为研究对象，推导不对中激励力表达式，并从动力学的角度，建立不对中弯扭耦合振动微分方程。 4）李明等对不对中齿轮联轴器连接的轴承-转子系统进行了动力学分析，讨论了齿轮联轴器不对中力的组成。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 存在的不足 （1）航空发动机整机振动建模需要实现模型真实性、复杂 性、非线性与计算效率之间的协调、优化和统一 1）目前，研究故障转子/轴承系统的非线性特征基本上是针对形如Jeffcott转子的简单转子系统 ，其优点是计算效率高，能够模拟故障的定性特征，其缺点在于模型参数与实际转子系统相差较大，无法定量预计航空发动机整机振动。 2）对于链式结构的转子系统，传递矩阵法是目前最流行的方法，其本质是一种离散转子模型，对于计算复杂转子系统的临界转速和简单的不平衡响应，已经形成了较为完善的理论和方法，但是对于计算含故障的强非线性转子系统响应 ，但是其求解过程复杂，无法达到满意的效果。 3）有限元法在转子动力学中的应用虽然比较广泛，但是如果整机均采用有限元建模，势必导致计算量大、效率低的问题，且利用有限元求解含故障的强非线性动力学问题尚不多见。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究现状 存在的不足 （2）航空发动机典型故障机理尚不清楚，故障模型亟待 改进和完善 1）对于松动故障，由于航空发动机的结构特点，松动故障可能出现在转子件和静子件，其中转子件的松动包括联轴器松动和滚动轴承间隙；静子件的松动主要为轴承座松动和螺栓连接松动等。而目前对这些类型的松动故障的建模尚不完善，划分也不很明确。 2）现有碰摩模型很难模拟出机匣上得单点、多点、局部、全周碰摩，以及转子上的单点、局部和全周碰摩现象，从而最终导致仿真出的碰摩故障特征与实际故障特征存在较大差异。 3）现有碰摩故障特征多是基于转子振动位移提取的，而对静子机匣的加速度特征分析很少，然而，对于航空发动机，机匣加速度信号几乎是判断碰摩故障的唯一依据，因此，分析机匣加速度碰摩故障特征具有重要工程实用价值。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 研究目标 建立简洁有效的航空发动机整机振动动力学仿真模型，研究与支承不同心相关的不平衡、松动、转静碰摩以及弯曲故障等航空发动机典型故障模型，通过数值仿真获取机匣振动加速度、速度、位移响应，利用现代信号分析方法，直接提取和融合航空发动机整机振动的机匣响应，并研究在各种典型故障激励下的机匣振动响应特征变化灵敏度和规律，最终为有效地诊断航空发动机整机振动故障、抑制航空发动机整机振动提供重要依据和措施。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 研究内容 (1) 考虑模型真实性、复杂性、非线性与计算效率的航空发动机整机振动新模型 针对目前航空发动机整机振动研究中所出现的模型复杂度、非线性与计算效 率难以统一的矛盾问题，将转子、滚动轴承、支承及机匣作为整体考虑，建立 航空发动机整机振动动力学仿真模型，通过数值仿真获取机匣振动响应。 (2) 发展更加符合实际航空发动机结构特点的整机振动故障新模型 针对航空发动机目前存在的不平衡、轴承座松动、叶片-机匣碰摩等故障，在 现有故障模型的基础上，提出并建立适合于航空发动机结构特点的故障模型， 并结合整机动力学仿真模型，仿真计算出故障激励下的机匣振动响应。 (3) 机匣振动信号特征分析 为了研究故障激励下的航空发动机整机振动特征，针对获取的机匣振动信 号，利用现代信号分析，提取机匣响应特征，研究故障激励下的机匣振动特征 变化规律。 (4) 实验验证 利用实际航空发动机试车数据与试验台实验数据 ,对整机振动模型进行验证、 对获取的各种故障激励下的机匣振动响应特征变化规律和灵敏度进行验证和分 析 。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 拟解决关键问题 (1) 含故障的航空发动机整机振动新模型 建立新的航空发动机整机振动模型，准确获取故障激励下的机匣振动响应。 需要解决目前存在的航空发动机整机振动模型复杂度、非线性与计算效率难以 统一的矛盾问题，该模型既能准确模拟故障激励下的实际航空发动机机匣振动 响应，准确获取各种故障所表现出的非线性振动特征，同时具有很高的计算效 率。 (2) 面向航空发动机结构特点的典型故障建模 1）提出新的转子叶片-机匣碰摩模型，模拟出实际实验中出现的叶片-机匣 碰摩所引发的机匣加速度信号的高频周期冲击和调制特征。 2）建立航空发动机松动故障模型。 3）建立碰摩-弯曲故障模型。 (3) 典型故障机匣振动信号的特征分析和融合 典型的时域和频域分析方法以外，需要利用自相关分析等现代信号 方法来对机匣振动信号进行特征提取。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 整机振动建模 及其模型修正 含弯曲、松动、叶片- 机匣碰摩、不对中 的机匣加速度信号 故障特征分析 实验结果与仿真结果 对比验证 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 整机振动建模、故障仿真与实验验证流程图 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 粒子群优化算法 粒子群算法的流程图 本课题针对带机匣的转子系统，对转子-机匣连接刚度进行修正，使得利用有限元方法仿真得到的转子-机匣的临界转速以及振型接近，为更好地进行故障仿真提供保证。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 整机振动建模 整机模型中子结构的力学传递关系 转子-转子间连接——联轴器连接、中介轴承连接 转子与滚动轴承连接——将滚动轴承外圈作为集中质量建模 轴承与轴承座连接——将轴承座作为集中质量建模 轴承座与机匣连接——传递力和扭矩 机匣与机匣连接——传递力和扭矩 机匣与基础连接——传递力和扭矩 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 弯曲故障建模 初弯曲转子模型示意图 P为圆盘的质心位移，r为总的位移幅值，rd为动力响应幅值，rb为初始弯曲量。由几何关系有： P=r+e; rd=r-rb; rb=rbe (i(ωt-φm)) 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 松动故障建模 不对称刚度： 不对称阻尼： 其中xb代表轴承座的位移，xc代表机匣位移。 轴承与基础 之间发生松动 Muszynska A, Goldman P. Chaotic responses of unbalanced rotor bearing stator systems with looseness or rubs[J]．Chaos,Solitons and Fractals,1995,5(9)： ． 螺栓与基础 之间发生松动 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 松动故障建模 Hui Ma, Xueyan Zhao, Yunnan Teng, et al. Analysis of dynamic characteristics for a rotor system with pedestal looseness. Shock and Vibration. 2011,18,13~27. 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 叶片-机匣碰摩故障建模 转子、叶片、机匣力学传递关系流程图 将叶片考虑为梁单元，考虑叶片的轴向运动和 弯曲运动。 定转速下旋转叶片运动示意图 c 圆盘-叶片耦合模型 叶片-机匣碰摩示意图 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 不对中故障建模 左半联轴器 右半联轴器 角度不对中示意图 不对中的力矩分解图 针对角度不对中，在左、右联轴器不对中对应的节点上施加弯矩Ty、Tz 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究方案 技术路线 课题主体框架 课题主体框架 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

27 研究内容 整机模型 航空发动机转子试验器 试验器可以演示和模拟发动机中可能出现的几种典型故障：（1）涡轮叶片与机匣封严间隙处的碰摩（可能实现点碰摩、局部碰摩、轻度或重度碰摩）；（2）封严蓖齿间的碰摩；（3）轴承损坏；（4）前后支承不同心；（5）支承刚度的变化对振动特性的影响。 1 2 4 6 5 3 7 1-碰摩环 球轴承 涡轮盘 4-碰摩环点变形顶螺栓 5-压气机轮盘 6-滚珠轴承 7-轴 图2 转子试验器剖面图 航空发动机转子试验器示意图 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

28 该模型可以用来模拟支承松动、不对中、叶片-机匣碰摩、弯曲故障。
研究内容 整机模型 某型弹用涡扇、涡喷发动机 某型弹用涡扇航空发动机的转子-支承-机匣模型示意图 某型弹用涡喷航空发动机的转子模型示意图 该模型可以用来模拟支承松动、不对中、叶片-机匣碰摩、弯曲故障。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

29 该模型可以用来模拟支承松动、不对中、叶片-机匣碰摩、弯曲故障。
研究内容 整机模型 某型双转子航空发动机 图4 某型双转子发动机示意图 该模型可以用来模拟支承松动、不对中、叶片-机匣碰摩、弯曲故障。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究内容 建模方法 （1）对于转子，采用成熟的有限元梁模型；对于机匣，采用不旋转的梁模 型；对于轴承、轴承座采用集总质量模型； （2）对于集总质量与有限元梁模型之间连接，采用改进的Newmark-β法求 解；对于有限元梁模型之间连接，传递耦合的力和力矩。对于梁模型，采用 Newmark-β法求解。 （3）对于不对中故障模型，一方面，考虑相互连接的两根轴的平行不对中和 角度不对中，根据航空发动机套齿联轴器的结构特点，建立由联轴器不对中所产 生的附加力和力矩。 （4）对于松动故障模型，采用对称刚度模型和不对称刚度模型，计算机匣 加速度信号，采用一重自相关降噪的方法提取故障特征。 （5）对于含有初始弯曲的转子，转子弯曲对应的圆盘初始条件施加初始弯 曲量。 （6）对于叶片-机匣碰摩模型，将叶片考虑为不旋转的梁模型，考虑叶片的 轴向运动以及横向运动，考虑机匣单点、局部以及整周碰摩，转子单点、局部以 及整周碰摩。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究内容 特征分析方法 （1）时域信号 对于时域信号，由于噪声能量很大，采用自相关滤波技术，检测转子系统中 的微弱周期信号，提取感兴趣的频率成分，如：多重自相关分析； （2）转速跟踪分析 对转速进行跟踪，获取转子的轴向轨迹、转子响应的三维瀑布图以及转子的 临界转速； （3）转子的非线性特征分析 对影响转子参数较敏感的参数进行分岔计算，获取转子响应随参数变化的非 线性特征；在特定的参数下，分析转子的轴心轨迹以及庞加莱映射； （4）时频分析技术 对转子中微弱信号提取，如小波变换； 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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可行性分析 实验条件 振动台 功率放大器 振动控 制系统 数据采集 分析系统 航空发动机转子实验器 1.轴承座与基础之间增加垫 片，实现转子不对中实验 2.轴承座与基础之间预留间 隙，实验基础松动实验 ZT-3多功能转子故障模拟实验台 航空发动机转子实验器可以用来模拟叶片-机匣碰摩、支承松动、滚动轴故障等； 振动台可以用来模拟松动故障实验； ZT-3多功能故障模拟试验台可以用来模拟碰摩、不对中、不平衡、松动等故障。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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可行性分析 实验条件 振动台 安装座 弹簧 松动故障实验方案：在振动台底座上 安装4个弹簧，其中两个刚度较小弹 簧的另外一段安装在圆盘上，另外两 个刚度较大弹簧不接触圆盘，此实验 可以用来模拟不同频率下变刚度冲击 特征。 松动故障模拟示意图 垂直下(CH3) 碰摩故障模拟示意图 垂直上(CH1) 水平右 (CH2) 水平 左 水平左 (CH4) 碰上 碰右 碰下 碰左 碰摩故障实验方案：实验时在涡轮机匣处 设计了四个碰摩螺钉，实现四个部位的碰 摩实验，沿涡轮机匣相应布置四个加速度 传感器以采集机匣加速度信号。实验时用 板手拧碰摩螺栓，使碰摩环产生变形，从 而与旋转的涡轮叶片产生单点碰摩。多点 碰摩，同时拧多个螺栓。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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可行性分析 已有的理论基础 （1）学习了转子动力学基础理论，研究过松动建模文献； （2）已建立了某型弹用涡扇发动机、航空发动机转子试验器、涡喷发动机有限元模型，对松动故障进行了模拟，发现了时域波形具有上下不对称，频谱特征具有高倍频特征，此特征可以用来作为判别松动故障的依据； （3）针对某型弹用涡扇发动机已进行了模型修正，修正结果和真实结果接近； （4）已理论上将叶片作为悬臂梁建立了圆盘-叶片耦合模型； 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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研究计划和进度 学位论文撰写， 毕业答辩 搭建实验台，获 取故障实验据 建立建立双转子有 限元模型，并研究 叶片-机匣碰摩模型 2015.2— 阅读文献，制定 详细研究计划 —2015.1 2014.4— —2014.3 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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预期研究成果 （1）针对整机振动有限元模型进行模型修正，使修正后的模型与实际模型临界转速以及振型接近； （2）建立航空发动机转子试验器、某型弹用涡扇发动机、某型弹用涡喷发动机、双转子发动机有限元模型，在模型中考虑弯曲、松动、叶片-机匣碰摩故障，通过机匣加速度信号，利用频谱分析以及现代信号处理方法提取故障特征。 （3）将提取的故障特征与实际的航空发动机试车数据特征进行对比，验证故障模型建立的正确性。 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25

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谢谢! 请各位老师多提宝贵意见！ 南京航空航天大学智能诊断与专家系统研究室 2019/7/25