民用活塞式航空发动机试飞中振动测定研究

・机械研究与应用・２０１５年第４期（第２８卷，总第１３８期）　检测与控制　民用活塞式航空发动机试飞中振动测定研究　符娆，陈钊，左思佳　（中国飞行试验研究院，陕西西安７１００８９）　摘要：通过查阅大量资料并结合型号试飞经验，对民用活塞式航空发动机的振动测定进行了系统的阐述，包括活塞　式发动机振动测定研究的现实环境、研究背景和意义、振动机理与特性、振动信号测量与分析等内容，最后推荐了一　些在试飞中可以参考的标准文件。　关键词：活塞发动机；振动分析；振动测量；振动信号处理　中图分类号：Ｖ２１７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７－４４１４（２０１５）０４－０２１９－０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｐｉｓｔｏｎ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｔｅｓｔ　ＦＵ　Ｒａｏ，ＣＥＨＮ　Ｚｈａｏ，ＺＵＯ　Ｓｉ－ｊｉａ　（Ｃｈｉｎａ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｔｅｓｔ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，Ｘｉ＂ａｎ　Ｓｈａａｎｘｉ　７１００８９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ｐｉｓｔｏｎ　ａｖｉａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｙ　ｌｏｏｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｄｅａｌ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｆｌｉｇｈｔ　ｔｅｓｔ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｓｔｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，￣ｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｉｇｈｔ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｔｏｎ　ｅｎ￣ｎｅ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｏ　引　言　了有力的理论依据。然而对于往复机械类发动　活塞式发动机具有体积小、重量轻、升功率高、结　机　］，由于其激励力成分复杂且数量众多、传递特性　构简单、操作维护方便等诸多优点，并且生产周期短、　不易准确获取、边界条件和运行工况多变，很难找到　成本低，因而得到小型飞机的青睐，诸如飞行员飞行　发展完备的独立学科对其振动研究进行支撑。在实　技术培训使用的教练机、施肥和灭虫用的农业机、灭　际的工程应用中，振动分析法由于具有信号易于测　火救生用的直升机、公务和旅游用的轻型客机，以及　取、易于实现早期预报和在线监测等优点，还是得到　近几年热门的无人机、无人直升机等领域。根据中国　了最广泛的研究和应用。　民用航空局（ＣＡＡＣ）对于民用航空器适航性管理的　１．１振源分析　规定，设计生产部门要通过一系列的飞行试验来表明　活塞式航空发动机易发生故障的部位基本上有　即将出售的航空器（包括其配装的发动机）在预期的　以下３部分。　运行环境和限制条件下飞行时是安全的，即取得中国　（１）传递动力部分：曲轴、连杆、十字头、活塞销、　民用航空局（ＣＡＡＣ）颁发的适航证。　活塞等部件。　振动是机械设备运行工况的最直接有效的反映　（２）气体进出机器的密封部分：气缸、进气和排　形式，通过对各类航空发动机，包括旋转机械类的　气阀门、弹簧、阀片、活塞环、填料函及排气量调节装　（如各种涡轮式喷气发动机）和往复机械类的（如活　置等部分。　塞式内燃发动机）在试飞过程中进行振动的测量与　（３）辅助部分：包括水、气、油三路的各种冷却　评定，才能确保飞行的安全。然而，与各种涡轮喷气　器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路系统等。　式发动机不同，对于活塞式发动机试飞振动测量评定　以上主要零部件的缺陷、磨损、损坏和断裂故障　目前鲜少有可以遵循的标准文件和可以借鉴的工程　将主要体现在所测量的振动参数中且伴随有不正常　经验。所以，有必要从根本上对活塞式发动机的振动　的声音。　机理、振动特性、振动信号测试技术、振动信号分析技　１．２激振力分析　术等进行深入的研究。　活塞式航空发动机的运动部件是一整套曲柄连　１振动机理与特性　杆机构，在工作时既有加速和减速运动，又有旋转和　转子动力学…作为力学派生出来的一个重要分　往复运动。在工作负荷下，作用在活塞、连杆、十字头　支，为旋转机械类发动机的振动机理与特性研究提供　和曲轴上的力有惯性力、气体力和摩擦力等。在这些　收稿日期：２０１５—０６—０４　作者简介：符娆（１９８５一），女，陕西武功人，工程师，研究方向：动力装置与结构强度特性飞行试验。　・２１９・　检测与控制　２０１５年第４期（第２８卷，总第１３８期）・机械研究与应用・　力中，气体力和摩擦力属于机器的内力，不会传递到　飞机本体上去，只影响到机身、中体、缸体、缸盖以及　各运动零部件的受力状况和机器的磨损和功耗状况。　然而其他力都有可能引起发动机本体的振动。　（１）惯性力惯性力有两种，即曲柄旋转时产生　的旋转惯性力和活塞、十字头组件往复运动时的往复　惯性力，连杆运动时则兼有这两种惯性力的作用。旋　转惯性力、往复惯性力、旋转阻力矩都是随曲柄转角　变化的自由力和力矩，它们作用于机体轴承座上，分　别通过地脚螺栓传递给飞机本体和输出轴传递给螺　旋桨，使其产生振动，而飞机本体和螺旋桨对机体的　反作用力也同样使发动机本体产生振动。　（２）活塞力从发动机的受力分析可知，活塞力　通过连杆，作用在曲轴上的一个垂直于气缸轴线分力　与十字头作用在滑道上的侧向力，构成一个有使发动　机倾倒趋势的倾覆力矩，该力矩也是一个随曲柄转角　而周期性变化的自由力矩，传递到飞机本体和螺旋桨　上，也会引起其振动。　（３）气流压力　除以上机械运动产生的振动外，　由于活塞式发动机的间歇性吸气和排气，气流的压力　脉动还会引起管路振动，如果气流脉动频率恰好与气　柱或管道自振频率相同，这种共振可能引起严重后　果，不仅会引起发动机结构及其安装支撑结构松动，　甚至会振裂管道，使发动机工作异常，危及飞行安全。　以上振动问题往往是设计、制造产生的，可以通　过试验室振动试验及台架试验进行初步摸底，然而由　于活塞式发动机结构的复杂性，安装与操作不当也会　带来很多振动故障，这就要求在发动机的具体使用环　境下对发动机的振动进行测定。　２振动信号测量与分析　在实际使用环境中对活塞式发动机进行振动测　定，要对试验对象的振动类型进行必要的简化，选取　最关心的振动信息或者说危害更大的振动信息进行　测点的布置。在飞行试验中，综合考虑以上各种因　素，以及测点加改装的可实现性和安全性，认为发动　机本体整机振动和发动机通过输出轴传递给螺旋桨　的振动是现阶段最为关心的内容，通过在发动机机匣　和曲轴输出端机匣的适当位置（以便于加改装为准）　安装振动加速度传感器来测量发动机的振动信息。　活塞式发动机的整机振动信号与以往测量的旋转机　械类发动机的振动信号有很大的不同，除了发动机的　曲轴系统不平衡量引起的振动外，还有连杆系统的敲　击振动，信号表现形式上，在原有的基本振动信号上　会出现相同的时间间隔内的脉冲信号，如图１所示。　随着改装与测试技术的发展，未来将会在更为直　接的位置安排测点，例如缸盖表面、缸体表面、曲轴轴　・２２０・　承座等，这些关键部位的振动信息将能更为直接、丰　富的反映发动机的工况，使振动监测和故障诊断更为　有效。　０　图１　两种类型发动机振动信号时域对比　活塞式航空发动机是一个非常复杂的机械系统，　激励源众多，各类振动（如缸内燃爆振动、阀的撞击　振动、流体流动振动及传动件啮合振动等）使得所测　得的振动信息包括各种成分和干扰，各机构冲击响应　信号的频率在一定频带内互相重叠，属于典型的周期　性、非平稳信号＿３］。所以对于周期冲击性非平稳信　号的分析处理方法进行研究，提取到振动信号的特征　信息，也是实现发动机有效监控和故障诊断的前提。　经过多年的研究与发展，现在基本上形成了时域分析　法、频域分析法、时频域分析法、分形几何以及高阶累　积量等方法。　（１）时域分析：时域特征参数主要有峰值、均值、　均方幅值、方差、标准差、波形因子、脉冲因子、裕度因　子等。这些特征参数的测量直接、计算简单、可用于　在线监测，缺点是它们不能够兼顾稳定性和敏感性。　为检测敲缸，Ｍ．Ｍ．Ｅｔｔｅｆａｇｈ＿４　等采用ＡＲＭＡ时间序　列方法对内燃机缸体振动信号进行分析，找到了对故　障敏感的特征参数。　（２）频域分析：常用的方法以经典的傅里叶变换　为核心的功率谱分析、倒谱分析以及最为经典的频域　能量特征提取等。针对往复机械上得到的振动信号　具有非平稳性、非线性特征，利用Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ变换　对内燃机敲缸信号进行分析，可有效地提取故障的幅　值谱和边缘谱频带能量特征。国内贾继德　等在这　方面有比较深入的研究。　（３）时频域分析：常用的方法有短时傅里叶变　换、Ｗｉｎｇｅｒ时频分布、ＥＭＤ分解和小波变换等。孙云　岭　利用Ｗｉｎｇｅｒ—Ｖｉｌｌｅ时频分布（ＷＶＤ）研究了内燃　机功率不平衡性故障时的瞬时转速特征提取；为减少　相干项对分析信号时频分布信息的干扰，王志华　选择相干项较小的伪Ｍａｒｇｅｎａｕ—Ｈｉｌｌ（ＰＨＭ）分布研究　柴油机表面振动响应信号的时频分布；郑海波　等　针对柴油机异响故障振动信号的时变非平稳特性，引　入重分配平滑伪Ｗｉｎｇｅｒ—Ｖｉｌｌｅ分布（ＲＳＰＷＶＤ）。邹　剑　Ｊ、张德江　。。分别将小波包和小波变换技术引人　・机械研究与应用・２０１５年第４期（第２８卷，总第１３８期）　检测与控制　到内燃机振动信号分析中。　（４）分形分析：李国宾¨　利用多重分形谱来分　析柴油机缸体振动信号特征，并探讨多重分形谱参数　与柴油机运行状态之间的内在联系，研究表明：多重　分形谱参数能定量刻画振动信号的特征；冯光烁¨　分析了转速时间序列的功率谱、Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数和相平　面图，指出活塞发动机转速信号是混沌时间序列，呈　现分形特征，并提取了关联维数特征。　（５）高阶谱分析：高阶谱具有抑制加性高斯有色　噪声以及表征非线性的优点，最为常用的是双谱估计　及其切片。肖云魁　利用双谱对柴油机曲轴轴承振　动信号进行分析，提出了双谱特征频率面来描述信号　特征；夏天¨　考察了柴油机振动信号的高阶循环平　稳性，对实测振动信号分析表明利用循环双谱可以有　效地提取出振动信号中反映柴油机曲轴轴承技术状　态的信息；孙云岭　针对多缸内燃机瞬时转速信号　中含有大量高阶谐波成分，存在频率和相位的非线性　耦合，研究了从双谱对角切片中提取单缸断油的故障　特征，缺点是容易受到转速波动的影响。　以上信号分析方法中，大部分都只能在某一方面　或者某一变换域内较好地反映活塞式发动机的运行　状态特征，而小波变换能够为振动信号提供时域、频　域和时频域多角度特征提取，具有时频局部化、快速　多通道带通滤波、多分辨率特性等优点，无疑是活塞　发动机复杂信号处理中最为活跃的元素，是非平稳信　号特征提取一个最为有效的工具，因此，在活塞式发　动机试飞工作中，对振动信号的处理，应在现有ＦＦＴｒ　分析技术（包括短时傅里叶技术）的基础上，重点研　究小波分析方法在实际工程领域更高效的应用。　３试飞中可以参考的标准文件　由于历史原因，在活塞式航空发动机试飞中，没　有可以直接参考的标准文件，在查阅了大量相关标准　文件后，摘录出其中较为关键的几份，可以作为开展　工作的参考依据。　ＧＪＢ　３７２９—１９９９，航空活塞发动机通用规范；ＧＢ／　Ｔ　１０３９８—２００８，小型汽油机振动评级和测试方法；　ＧＢ／Ｔ　７７７７—２００３，容积式压缩机机械振动测量与评　价；ＧＢ／Ｔ　７１８４—２００８，中小功率柴油机振动测量及评　级；ＧＢ／Ｔ　１３３６４—２００８，往复泵机械振动测试方法；　ＧＢ／Ｔ　６０７２．５—２００３，往复式内燃机性能第５部分：　扭转振动；ＧＢ／Ｔ　６０７５．６—２００２，在非旋转部件上测量　和评价机器的机械振动第６部分：功率大于１００　ｋＷ　的往复式机器。　４结论与展望　以上内容较为粗浅的介绍了在民用活塞式航空　发动机型号合格审定，即获取民航适航证的飞行试验　中，需要掌握的相关知识以及工程技能，能够使参试　人员较快的系统了解整个试验过程。相信未来通过　越来越多的民用活塞式航空发动机的立项、研制、试　验，工程技术人员能够更好的了解被试对象的结构特　点，更高效的完成整机振动的验证试验，从而掌握活　塞式航空发动机的振动特性，促进相关规范与标准的　编写与发布。　参考文献：　［１］虞烈，刘恒．轴承一转子系统动力学［Ｍ］．西安：西安交通大　学出版社，２ｏｏ１．　［２］杨国安．往复机械故障诊断及管道减振实用技术［Ｍ］．北京：中　国石化出版社，２０１２．　［３］　高品贤．振动、冲击及噪声测试技术［Ｍ］．第二版．成都：西南交　通大学出版社，２０１０．　［４］　Ｅｔｔｅｆａｇｈ　Ｍ　Ｍ，Ｓａｄｅｇｈｉ　Ｍ　Ｈ，Ｐｉｒｏｎｚｐａｎａｈ　Ｖ，ｅｔ　ａ１．Ｋｎｏｃｋ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｐａｒｋ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　ｂｙ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ｂｌｏｃｋ：　Ａ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ　Ｓｙ￣ｅｍｓ　ａｎｄ　Ｓｉｇ－　ｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００８（２２）：１４９５—１５１４．　［５］贾继德，陈剑，邱峰．一种适用于非平稳、非线性振动信号　分析方法研究［Ｊ］．农业工程学报，２００５，２１（１０）：９一ｌ３．　［６］　孙云岭，朴甲哲，张永祥．Ｗｉｎｇｅｒ—Ｖｉｌｌｅ时频分布在内燃机故障　诊断中的应用［Ｊ］．中国机械工程，２００４，１５（６）：５５—５０７．　［７］王志华，余永华．柴油机气门漏气故障时频分析诊断研究［Ｊ］．　武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２００８，３２（４）：６４５—　６４８．　［８］郑海波，李志远，陈心昭，等．基于时频分布的柴油机异响特征　分析及故障诊断研究［Ｊ］．内燃机学报，２００２，２Ｏ（３）：２６７—２７３．　［９］邹剑，陈进，耿遵敏．小波包算法在柴油机振动征兆提纯中　的应用［Ｊ］．上海交通大学学报，２００２，３６（２）：２１７—２２１．　［１０］　臧玉萍，张德江，王维正．基于小波变换技术的柴油机异响故　障振动［Ｊ］．机械工程学报，２００９，４５（６）；２３９—２４４．　［１１］李国宾，段树林，于洪亮．柴油机振动信号特征参数的多重分　析研究［Ｊ］．内燃机学报，２００８，２６（１）：８７—９１．　【１２］　冯光烁，杨海青，魏民祥．发动机转速时间序列分形特征分析　［Ｊ］．机械科学与技术，２００８（１１）：２７—３Ｏ．　［１３］　肖云魁，李会梁，王保民，等．基于双谱的柴油机活塞销故障诊　断［Ｊ］．内燃机学报，２００８，２６（４）：３６９—３７４．　［１４］　夏天，王新晴，赵慧敏，等．基于高阶循环平稳的柴油机曲轴　轴系振动信号分析［Ｊ］．内燃机学报，２００９，２７（６）：５５２—５５７．　［１５］孙云岭，朴甲哲，张永祥．基于瞬时转速和双谱的内燃机故障　诊断研究［Ｊ］．内燃机学报，２００４，２２（３）：２４２—２４４．　・２２１・