某型发动机中心螺旋圆锥齿轮组件振动测量

1 前言

齿轮故障通常具有相似现象，即振动与噪声明显增加，但产生齿轮故障的原因却很难从表现上作出判断。由于边界条件的限制很难从有限元计算分析。由于结构和工作时受力条件决定，齿轮传动的振动信号较为复杂，故障诊断需同时进行时域与频域分析。因此，对齿轮进行模态试验和工控下实测其振动进行三维频谱分析显得十分重要。本文通过模态试验和试验器上对齿轮组件进行振动测量的途径分析其工控下的振动特性。

2 齿轮组件受力分析

齿轮组件在工作工程中，相啮合的齿面见既有滚动，又有滑动。首先齿面间存在着摩擦力和接触应力。

齿轮工作过程中的激励信号频率基本表现为三部分，一为啮合频率及其谐波构成的载波信号；二为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号；三为泵工作时产生的脉冲力对齿轮的影响。

（1）由于齿轮的不平衡度和啮合齿在载荷作用下的变形，锥齿轮啮合振动，计算公式为：

（2）高压转子的不平衡量产生的振动与齿轮在工作时为刚性耦合，转子的转动频率按传动比传到齿轮上;转动频率计算公式为：

f 转动＝n×i /60

其中：n：高压转子转速；i 为传动比。

（3）泵工作时产生的激振频率。计算公式为：

其中：n 泵：泵的转速。Z：注塞泵个数。

3 技术难点和研究思路

3.1 技术难点

由于齿轮组件结构传动路线复杂，滑油系统包围整个齿轮组件，给传感器的安装（应变片粘贴）和测量导线的引出困难；同时结构空间限制需要设计专用的引电器满足工控下的振动实测。在试验器上实测时，由于试验器工作大部分在强电下，对测量电路会产生强烈的干扰信号。对测试系统的设计提出了较高的要求。

3.2 研究思路

通过齿轮组件模态分析得到各阶振动模态，确定振动测量应变片的布置位置。设计了专用引电器及高温油下应变片贴片工艺确保测量信号的感应和传输，通过LMS 动态信号测量分析软件“LMS Spectral Acquistion”进行数据处理分析。

3.2.1 齿轮组件模态试验

对齿轮进行模态试验，采用LMS Modal Geometry 软件进行模型构建，采用多点激励单点拾振的方式进行模态敲击试验，采用LMS Modal Impact 软件进行数据采集，用LMS Modal Anasys 进行模态分析。

3.2.2 工控下振动测量

根据模态试验结果和应力集中点进行应变片布置，在幅板和连接螺栓上贴片。测量采用应变电测原理，应变片感受旋转部件的变形信号，引电器将该变形信号传至数据采集系统进行采集分析。引电器设计为4 通道8 点的一个小型引电器，在齿轮传动系统中的安装位置见图1，试验测试框图如图2。

图1 引电器在齿轮传动系统中的安装位置图

图2 圆锥齿轮振动测量框图

4 结果及分析

4.1 模态试验

通过模态分析齿轮组件有3 个模态振动，模态振型如图3。

4.2 工控下的振动特性

（1）动频数据及振动图谱见表1 和图4～图5。

图 4 辐 板测点的三维振动瀑布图

图 5 辐 板测点在低频段的振动谱图（2）由表1 可知255～275Hz 的低频振动为转子振动的二阶频率。由图5 可看出存在转子的1～4 倍频，其中2 倍频较大。
（3）根据组件受力分析可知：3845Hz 的频率为锥齿轮啮合振动频率，6145Hz、6215Hz 为主泵工作时产生的振动频率。
（4）根据齿轮模态分析结果可知：6145Hz、6215Hz 的振动为齿轮的二节径振动。
（5）根据行波共振转速的预计公式：

前行波 nF＝60fD/(Kz-m)

其中： fD：齿轮动频；K：谐波阶次；z：齿轮齿数；m：节径数

可知 83％转速下的6145Hz 振动为二次谐波的行波振动。

5 结束语

（1） 采用试验与计算相结合的方法对振动信号进行分析，从而确定试件产生故障的原因。

（2） 工控下振动试验难点在于信号的采集：引电器的安装、密封及干扰信号的屏蔽等问题。试验中由于位置有限，仅能使用4 通道8 测点的引电器，每次试验的测点较少，成本很高，在今后的试验中还需继续完善。

（3） 本文介绍的齿轮组件模态试验和工控下振动应变测量技术，快速、准确、可靠地解决振动应力与频率的测量，对类似结构的振动测量具有一定的参考价值。

参考文献
[1] 航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册第13 册[K].北京:航空工业出版社,2001.
[2] 宋兆泓,李其汉.发动机强度振动测试技术[M]. 北京:国防工业出版社,1981.(end)