模態(tài)阻尼識(shí)別方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，特別地，涉及一種模態(tài)阻尼識(shí)別方法和裝置。此外， 本發(fā)明還涉及一種包括上述模態(tài)阻尼識(shí)別裝置的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)三要素頻率、幅值和阻尼的測(cè)量中，阻尼的準(zhǔn)確識(shí)別難度最大，阻尼對(duì)振動(dòng)和 噪聲的控制有著十分重要的作用。首先，阻尼可以抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲。由于阻尼 的隔振作用，使得轉(zhuǎn)子能順利通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，從而避免通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生過(guò)大振幅，造成 轉(zhuǎn)、靜子碰磨。其次，采用有限元法計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性時(shí)，必須輸入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼 系數(shù)。再次，在普遍關(guān)注的無(wú)試重動(dòng)平衡中，也必須測(cè)得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。
[0003] 阻尼是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ匦灾?，是影響轉(zhuǎn)子動(dòng)力響應(yīng)幅值和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要 參數(shù)。與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度相比，結(jié)構(gòu)的阻尼信息獲取比較困難。這是由于阻尼的機(jī)理復(fù) 雜和實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在困難。在現(xiàn)有技術(shù)中，阻尼識(shí)別方法分為時(shí)域法和頻域法。
[0004] (1)時(shí)域法（自由衰減法）
[0005] 單自由度系統(tǒng)是最基本的振動(dòng)系統(tǒng)，能揭示振動(dòng)系統(tǒng)的很多基本特性。多自由度 線性系統(tǒng)常常可以看成多個(gè)單自由度系統(tǒng)特性的線性疊加。
[0006] 單自由度有阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程為
[0007] .T+2ζωηχ+ω?χ~0： .⑴
[0008] 公式⑴中，x、i和?分別為位移、速度和加速度。一般情況下，阻尼比ζ〈〈1，因 此該系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)可以表示為
[0009]
[0010] 公式⑵中，t為時(shí)間參數(shù)，％ f為有阻尼固有頻率，A和#分別為幅值 和初相位。
[0011] 由初始位移X。和初始速度％可得幅值和初相位：
[0012]
[0013] 對(duì)于小阻尼系統(tǒng)（ζ〈0· 1)，有
[0014] (4)
[0015] 式中，η為衰減周期，通常取幅值衰減一半或者是Ι/e時(shí)的衰減周期進(jìn)行計(jì)算，如 圖1所示。
[0016] (2)頻域法（半功率帶寬法）
[0017] 頻域法通過(guò)半功率帶寬（_3dB)求解阻尼比，如圖2所示。粘性阻尼系統(tǒng)頻響函數(shù) 的基本表達(dá)式為
[0018]

[0019]頻響函數(shù)的極坐標(biāo)（復(fù)指數(shù)）形式為
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 從現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的資料來(lái)看，時(shí)域法和頻域法兩者均有各自的缺點(diǎn)和局限性。 比如時(shí)域法一般適用于單自由度系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可用于兩自由度系統(tǒng)。但其受噪聲影響 較大，不能通過(guò)平均去掉噪聲的影響，并且得到的響應(yīng)為多個(gè)頻率的疊加。使用頻域法識(shí)別 機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼時(shí)，其采樣頻率、頻率分辨率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率與信號(hào)頻率之比、分析數(shù)據(jù) 的長(zhǎng)度、譜線的位置、被測(cè)阻尼的大小以及信號(hào)頻率的密集度和頻率泄露等均會(huì)對(duì)阻尼測(cè) 量精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于半功率帶寬法是通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振幅變化來(lái)推算衰減系數(shù) 從而得出模態(tài)阻尼比。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其支撐剛度也會(huì)發(fā)生變化。然而，旋轉(zhuǎn)機(jī)械振 幅的變化是阻尼、自身變形以及剛度變化等眾多因素綜合作用的結(jié)果，阻尼只是其中的一 個(gè)主要因素。因此，這些其它因素的對(duì)振幅的影響也就成了阻尼測(cè)量誤差的來(lái)源。尤其當(dāng) 阻尼很小時(shí)，其他因素對(duì)振幅的影響相對(duì)就會(huì)更加突出，測(cè)量的誤差就會(huì)更大。同時(shí)在小阻 尼情況下，頻域法的Αω(cob-coa)的精度很難提高，也會(huì)造成測(cè)量誤差增大。因此，小阻尼 時(shí)頻域法測(cè)量精度會(huì)變低。另外，根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)知識(shí)，可知轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振幅隨轉(zhuǎn)速的變化與 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的加速度有關(guān)。在無(wú)法保證加速度為常值的情況下，振幅的變化也就成了一個(gè)不 確定量。因此，頻域法通過(guò)振幅變化確定阻尼比的穩(wěn)定性也就會(huì)較差。
[0026] 因此，如何簡(jiǎn)便、快捷和精確地識(shí)別模態(tài)阻尼，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 本發(fā)明提供了一種模態(tài)阻尼識(shí)別方法、裝置和系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)便、快捷和精確地識(shí)別 模態(tài)阻尼。
[0028] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種模態(tài)阻尼識(shí)別方法，包括步驟：
[0030] 獲取轉(zhuǎn)子的幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)；
[0031] 根據(jù)獲取的幅頻數(shù)據(jù)，繪制幅頻曲線，確定臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)；
[0032] 根據(jù)獲取的相頻數(shù)據(jù)，繪制并擬合相頻曲線，獲取擬合的相頻曲線方程；
[0033] 根據(jù)擬合的相頻曲線方程，計(jì)算出擬合的所述相頻曲線中臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線的 斜率；并根據(jù)計(jì)算出的斜率，獲取模態(tài)阻尼比。
[0034] 進(jìn)一步地，獲取轉(zhuǎn)子的幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)的步驟包括：
[0035] 利用振動(dòng)測(cè)試傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)，獲取幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)。
[0036] 進(jìn)一步地，利用振動(dòng)測(cè)試傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)的步驟包括：
[0037] 采用電渦流位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子撓度，采用加速度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng) 加速度，采用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 ω
[0038] 進(jìn)一步地，在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處，》=1,:其中?為頻率比，@ =77,ω為旋轉(zhuǎn)角頻率， (?η ωη為無(wú)阻尼自然頻率，W,_, k為剛度系數(shù)，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。
[0039] 進(jìn)一步地，擬合的所述相頻曲線中臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線的斜率由下列公式獲得：
[0040]
[0041] 其中，為相位角，#/#為相位角對(duì)頻率比的一階導(dǎo)數(shù)。
[0042] 進(jìn)一步地，模態(tài)阻尼比由下列公式獲得：
[0043] ζη= 1/Κ
[0044] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種模態(tài)阻尼識(shí)別裝置，包括：
[0045] 數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取轉(zhuǎn)子的幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)；
[0046] 確定模塊，用于根據(jù)獲取的幅頻數(shù)據(jù)，繪制幅頻曲線，確定臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)；
[0047] 方程獲取模塊，用于根據(jù)獲取的相頻數(shù)據(jù)，繪制并擬合相頻曲線，獲取擬合的相頻 曲線方程；
[0048] 阻尼比獲取模塊，用于根據(jù)擬合的相頻曲線方程，計(jì)算出擬合的所述相頻曲線中 臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線的斜率；并根據(jù)計(jì)算出的斜率，獲取模態(tài)阻尼比。
[0049] 進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)獲取模塊，還用于利用振動(dòng)測(cè)試傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)，獲取 幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)。
[0050] 進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)獲取模塊，還用于采用電渦流位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子撓度，采 用加速度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)加速度，采用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
[0051] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種模態(tài)阻尼識(shí)別系統(tǒng)，包括上述的模態(tài)阻尼 識(shí)別裝置。
[0052] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0053]1、從幅頻曲線中方便和準(zhǔn)確地確定臨界轉(zhuǎn)速。
[0054] 2、利用相頻曲線在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線斜率Κ與阻尼比ζη成倒數(shù)關(guān)系來(lái)識(shí)別模 態(tài)阻尼比。從相位與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系=arcuui可以看出，相位f只是阻尼比ζη和頻 I -m" 率比@的函數(shù)，由于沒(méi)有其他因素的影響，可以提高模態(tài)阻尼的識(shí)別精度。
[0055] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照?qǐng)D對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0056] 構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0057] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)時(shí)域法中采取幅值衰減一半作為衰減周期計(jì)算阻尼比時(shí)的示意 圖；
[0058] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)頻域法中通過(guò)半功率帶寬計(jì)算阻尼比時(shí)的示意圖；
[0059] 圖3是轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)器上的安裝示意圖；
[0060] 圖4是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法優(yōu)選施例的流程意圖；
[0061] 圖5是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法中的幅頻圖；
[0062] 圖6是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法中的相頻圖；
[0063] 圖7是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法中的不同擬合方法所得的相頻數(shù)據(jù)與原始相頻 數(shù)據(jù)對(duì)比圖；
[0064] 圖8是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法中的指數(shù)函數(shù)擬合的相頻數(shù)據(jù)與原始相頻數(shù)據(jù) 對(duì)比圖以及臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線圖；
[0065] 圖9是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別方法中相位擬合曲線在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)處的切線示意圖； [0066]圖10是本發(fā)明模態(tài)阻尼識(shí)別裝置優(yōu)選實(shí)施例的功能模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0067] 需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0068] 參照?qǐng)D3,圖3為轉(zhuǎn)子安裝在試驗(yàn)器上的安裝示意圖，其中，安裝在該試驗(yàn)器的轉(zhuǎn) 子系統(tǒng)包括后支座1、渦輪盤(pán)2、傳動(dòng)軸3、平衡凸臺(tái)4 ;前支座5 ;輸出軸6 ;高速增速器7和 真空箱8。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性試驗(yàn)在該試驗(yàn)器上進(jìn)行。整個(gè)試驗(yàn)器由高速端和低速端組成， 高速端和低速端分別由一臺(tái)400kW的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。高速端和低速端有各自的增速系統(tǒng)、 支承系統(tǒng)和真空系統(tǒng)（為了防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載，提供安全保護(hù)罩；在試驗(yàn)時(shí)將真空箱8內(nèi)抽 成真空，用來(lái)消除轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片的風(fēng)阻效應(yīng)）。試驗(yàn)時(shí)直流電機(jī)通過(guò)兩級(jí)增速器7把功率 從傳動(dòng)軸3的輸入端輸入，通過(guò)輸出軸6驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0069] 進(jìn)一步，參見(jiàn)圖4,本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了一種模態(tài)阻尼識(shí)別方法，包括步 驟：
[0070] 步驟100、獲取轉(zhuǎn)子的幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)。
[0071] 安裝振動(dòng)測(cè)試傳感器，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡凸臺(tái)處測(cè)量