模態(tài)阻尼識別方法、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)動機領(lǐng)域，特別地，涉及一種模態(tài)阻尼識別方法和裝置。此外， 本發(fā)明還涉及一種包括上述模態(tài)阻尼識別裝置的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動三要素頻率、幅值和阻尼的測量中，阻尼的準確識別難度最大，阻尼對振動和 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)的振動與噪聲。由于阻尼 的隔振作用，使得轉(zhuǎn)子能順利通過臨界轉(zhuǎn)速，從而避免通過臨界轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生過大振幅，造成 轉(zhuǎn)、靜子碰磨。其次，采用有限元法計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性時，必須輸入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼 系數(shù)。再次，在普遍關(guān)注的無試重動平衡中，也必須測得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。
[0003] 阻尼是結(jié)構(gòu)的重要動力特性之一，是影響轉(zhuǎn)子動力響應(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。這是由于阻尼的機理復 雜和實驗測量存在困難。在現(xiàn)有技術(shù)中，阻尼識別方法分為時域法和頻域法。
[0004] (1)時域法（自由衰減法）
[0005] 單自由度系統(tǒng)是最基本的振動系統(tǒng)，能揭示振動系統(tǒng)的很多基本特性。多自由度 線性系統(tǒng)常?？梢钥闯啥鄠€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時的衰減周期進行計算，如 圖1所示。
[0016] (2)頻域法（半功率帶寬法）
[0017] 頻域法通過半功率帶寬（_3dB)求解阻尼比，如圖2所示。粘性阻尼系統(tǒng)頻響函數(shù) 的基本表達式為
[0018]

[0019]頻響函數(shù)的極坐標（復指數(shù)）形式為
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 從現(xiàn)有技術(shù)中公開的資料來看，時域法和頻域法兩者均有各自的缺點和局限性。 比如時域法一般適用于單自由度系統(tǒng)，經(jīng)過改進后可用于兩自由度系統(tǒng)。但其受噪聲影響 較大，不能通過平均去掉噪聲的影響，并且得到的響應(yīng)為多個頻率的疊加。使用頻域法識別 機械結(jié)構(gòu)阻尼時，其采樣頻率、頻率分辨率、采樣點數(shù)、采樣頻率與信號頻率之比、分析數(shù)據(jù) 的長度、譜線的位置、被測阻尼的大小以及信號頻率的密集度和頻率泄露等均會對阻尼測 量精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于半功率帶寬法是通過旋轉(zhuǎn)機械的振幅變化來推算衰減系數(shù) 從而得出模態(tài)阻尼比。當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化時，其支撐剛度也會發(fā)生變化。然而，旋轉(zhuǎn)機械振 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 個主要因素。因此，這些其它因素的對振幅的影響也就成了阻尼測量誤差的來源。尤其當 阻尼很小時，其他因素對振幅的影響相對就會更加突出，測量的誤差就會更大。同時在小阻 尼情況下，頻域法的Αω(cob-coa)的精度很難提高，也會造成測量誤差增大。因此，小阻尼 時頻域法測量精度會變低。另外，根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學知識，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)。在無法保證加速度為常值的情況下，振幅的變化也就成了一個不 確定量。因此，頻域法通過振幅變化確定阻尼比的穩(wěn)定性也就會較差。
[0026] 因此，如何簡便、快捷和精確地識別模態(tài)阻尼，是一個亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 本發(fā)明提供了一種模態(tài)阻尼識別方法、裝置和系統(tǒng)，從而簡便、快捷和精確地識別 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)明的一個方面，提供一種模態(tài)阻尼識別方法，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；
[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，計算出擬合的所述相頻曲線中臨界轉(zhuǎn)速點處的切線的 斜率；并根據(jù)計算出的斜率，獲取模態(tài)阻尼比。
[0034] 進一步地，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] 利用振動測試傳感器測量轉(zhuǎn)子的振動響應(yīng)，獲取幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)。
[0036] 進一步地，利用振動測試傳感器測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動響應(yīng)的步驟包括：
[0037] 采用電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子撓度，采用加速度傳感器測量轉(zhuǎn)子的振動 加速度，采用光電傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 ω
[0038] 進一步地，在臨界轉(zhuǎn)速點處，》=1,:其中?為頻率比，@ =77,ω為旋轉(zhuǎn)角頻率， (?η ωη為無阻尼自然頻率，W,_, k為剛度系數(shù)，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。
[0039] 進一步地，擬合的所述相頻曲線中臨界轉(zhuǎn)速點處的切線的斜率由下列公式獲得：
[0040]
[0041] 其中，為相位角，#/#為相位角對頻率比的一階導數(shù)。
[0042] 進一步地，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；
[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，計算出擬合的所述相頻曲線中 臨界轉(zhuǎn)速點處的切線的斜率；并根據(jù)計算出的斜率，獲取模態(tài)阻尼比。
[0049] 進一步地，數(shù)據(jù)獲取模塊，還用于利用振動測試傳感器測量轉(zhuǎn)子的振動響應(yīng)，獲取 幅頻數(shù)據(jù)和相頻數(shù)據(jù)。
[0050] 進一步地，數(shù)據(jù)獲取模塊，還用于采用電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子撓度，采 用加速度傳感器測量轉(zhuǎn)子的振動加速度，采用光電傳感器測量轉(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)阻尼識別系統(tǒng)，包括上述的模態(tài)阻尼 識別裝置。
[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確地確定臨界轉(zhuǎn)速。
[0054] 2、利用相頻曲線在臨界轉(zhuǎn)速點處的切線斜率Κ與阻尼比ζη成倒數(shù)關(guān)系來識別模 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)，由于沒有其他因素的影響，可以提高模態(tài)阻尼的識別精度。
[0055] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。 下面將參照圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0056] 構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：
[0057] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)時域法中采取幅值衰減一半作為衰減周期計算阻尼比時的示意 圖；
[0058] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)頻域法中通過半功率帶寬計算阻尼比時的示意圖；
[0059] 圖3是轉(zhuǎn)子在試驗器上的安裝示意圖；
[0060] 圖4是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別方法優(yōu)選施例的流程意圖；
[0061] 圖5是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別方法中的幅頻圖；
[0062] 圖6是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別方法中的相頻圖；
[0063] 圖7是本發(fā)明模態(tài)阻尼識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)對比圖；
[0064] 圖8是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別方法中的指數(shù)函數(shù)擬合的相頻數(shù)據(jù)與原始相頻數(shù)據(jù) 對比圖以及臨界轉(zhuǎn)速點處的切線圖；
[0065] 圖9是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別方法中相位擬合曲線在臨界轉(zhuǎn)速點處的切線示意圖； [0066]圖10是本發(fā)明模態(tài)阻尼識別裝置優(yōu)選實施例的功能模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0067] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
[0068] 參照圖3,圖3為轉(zhuǎn)子安裝在試驗器上的安裝示意圖，其中，安裝在該試驗器的轉(zhuǎn) 子系統(tǒng)包括后支座1、渦輪盤2、傳動軸3、平衡凸臺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)動力特性試驗在該試驗器上進行。整個試驗器由高速端和低速端組成， 高速端和低速端分別由一臺400kW的直流電機驅(qū)動。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)動電機過載，提供安全保護罩；在試驗時將真空箱8內(nèi)抽 成真空，用來消除轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時葉片的風阻效應(yīng)）。試驗時直流電機通過兩級增速器7把功率 從傳動軸3的輸入端輸入，通過輸出軸6驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0069] 進一步，參見圖4,本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種模態(tài)阻尼識別方法，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] 安裝振動測試傳感器，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡凸臺處測量