一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，利用微速差双转子系统存在内外转子振动耦合，振动信号的表现形式为拍振，利用拍振的拍峰拍谷特征分离出内、外转子各自的不平衡振动幅值和相位，作为自动平衡控制系统的输入参数。添加试重结合影响系数动平衡方法计算出内外转子不平衡的大小和位置，由自动平衡控制器控制执行器中的配重盘移动至平衡位置从而抵消转子系统的不平衡量。利用微速差进行振动耦合信号的解耦，实现自动平衡在线抑振；本发明专利技术测试和计算方式简单，根据拍振的特征，从时域上提取拍振波形的拍峰和拍谷，计算出内外转子振动信号的幅值和相位。能够根据测量的基频振幅和相位计算配重块位置，达到闭环控制。达到闭环控制。达到闭环控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法


[0001]本专利技术涉及一种桨扇同轴对转双转子结构自动平衡的控制算法，利用双转子微速差产生的拍振信号进行振动信号分离，应用于桨扇同轴对转自动平衡系统的控制输入算法，属于故障诊断和振动主动控制领域。

技术介绍

[0002]不平衡振动易诱发转子碰磨、叶片断裂、轴承损伤等故障，甚至造成机毁人亡，严重影响飞机长航飞行的安全可靠性。桨扇发动机是介于涡桨和涡扇发动机之间的一种高亚音速、长航程、大推力发动机，是未来战略运输机、远程轰炸机用发动机的发展方向。采用同轴对转双转子结构的桨扇发动机有高推进效率、降低油耗的优点，但是存在振动和噪声大的缺点。因此，研究适用于同轴对转双转子结构的在线振动抑制方法迫在眉睫。转子和桨叶的质量不平衡是造成桨扇发动机振动和噪声过大的重要原因，本专利针对桨扇发动机的同轴对转双转子结构开展不平衡振动响应分离和自动平衡研究，为同轴对转双转子结构振动的在线抑制提供思路。
[0003]自动平衡系统通过在转子上预装自动平衡执行器，在线移动配重块，实现转子质量的再分布，从根源上降低或消除转子不平衡振动。目前国外已在涡桨螺旋桨、高精度磨床等领域实现自动平衡技术的工业应用，而国内自动平衡技术尚处在实验室研究阶段，未见工业应用报道。自动平衡系统由平衡执行器、控制器、信号采集处理三部分组成，通过给自动平衡控制器输入振动信息，才能计算出配平位置，完成自动平衡。因此，如何快准精稳地获取同轴对转复杂系统的内、外转子不平衡振动幅值和相位，是实施自动平衡振动抑制的前提条件。<br/>[0004]由于桨扇发动机运行时双排桨叶的负载不同，导致同轴对转双转子系统存在微小的转速差(一下简称“微速差”)，从而导致内外转子的耦合不平衡振动响应是由两个频率非常接近的简谐振动分量构成的拍振。本专利以微速差状态下产生的拍振信号为研究对象，通过确定拍振信号的拍峰、拍谷值，辨析出内外转子不平衡振动的幅值和相位，作为双配重盘电磁平衡系统控制器的输入参数，以实现不平衡振动的在线抑制。
[0005]现有微速差双转子系统的振动信号辨析和动平衡专利中，主要针对同轴同转双转子结构。本申请关注同轴对转双转子结构，通过检索，与本申请相关度较大的专利有如下几项：
[0006]目前，针对双转子动平衡方法中，公开号为[CN101464202A]的专利提出
‘
微速差双转子旋转机械动平衡方法
’
，与本专利所提出的自动平衡方法不同，它采用双振动传感器测量轴承位置处的振动信号，利用双平面影响系数动平衡法求得两个平衡平面的不平衡量，应用对象为采用差速器产生的微速差双转子结构。而本专利采用单一振动传感器测量耦合振动信号，之后分析拍振信号获得内外转子的不平衡振动信息。公开号为[CN91109315]的专利提出一种
‘
用于螺旋卸料沉降离心机的动平衡方法
’
。以上两种专利均针对同轴同转的双转子系统的动平衡，而本专利是针对同轴对转双转子结构的自动平衡。
[0007]在针对同轴对转转子的动平衡方法中Esteban Quiroz
‑
Hernandez等人提出一种“Method for balancing a propulsive system having non
‑
hull contra
‑
rorating propellers”，该平衡方法方法针对具有非船体对转螺旋桨推进系统，与本方法不同的是该方法采用电机式自动平衡装置，其缺点是电机中滑环与碳刷的磨损，会使系统可靠性降低，同时由于自动平衡内的两个平衡块共用一个运动轨迹，当采用同等质量的平衡块时该自动平衡结构比电磁式自动平衡装置的最大平衡能力小。本专利采用双配重块质量分布式的电磁驱动型平衡头系统，其优点是可以在高速下稳定运行、平衡能力高、结构尺寸小便于安装。
[0008]在双转子信号分离算法方面，公开号为[CN102944360A]的专利提出
‘
一种微速差双转子系统的不平衡振动信号提取方法
’
，与本专利不同的是该方法是将最小二乘法和改进的Prony方法(Improved Prony Method，简称IPM)相结合，进行双转子不平衡振动信号的辨识。公开号为[CN102967414A]的专利提出
‘
基于频谱校正的微速差双转子系统不平衡分量提取方法
’
，与本专利不同的是该专利将微速差双转子振动信号分离与频谱校正结合，用于微速差双转子系统不平衡分量提取。以上两种专利针对同轴同转双转子结构，重点在于辨识复杂工况下的双转子不平衡振动信号。同时，在已公开的专利技术或文献中，未提到针对同轴对转结构的双转子自动平衡控制输入参数辨析。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对带对转桨扇推进系统的飞机中的同轴对转结构展开(如图1、2所示)，对于其振动信号分离和振动抑制研究的不足，提出一种基于微速差的同轴对转双转子自动平衡控制算法，可以从一个振动信号中有效分离出内外转子的振动幅值和相位，为自动平衡控制系统提供输入参数，从而控制自动平衡执行器动作降低转子系统的振动，。本方法为同轴对转双转子系统的振动信号分离提供了思路，为电磁式自动平衡系统输入控制参数，可以有效地进行振动在线抑制，其流程如图3所示。
[0010]本专利技术的目的在于解决桨扇发动机同轴对转双转子结构的振动信号分离和不平衡振动抑制问题。
[0011]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是将微速差状态下的拍振信号分离算法与自动平衡技术结合，利用微速差双转子系统存在内外转子振动耦合，振动信号的表现形式为拍振，利用拍振的拍峰拍谷特征分离出内、外转子各自的不平衡振动幅值和相位，作为自动平衡控制系统的输入参数。添加试重结合影响系数动平衡方法计算出内外转子不平衡的大小和位置，由自动平衡控制器控制执行器中的配重盘移动至平衡位置从而抵消转子系统的不平衡量。
[0012]拍振波形的主要部分是由频率非常接近的两个正弦波形组成，其叠加后的拍振信号如式(1)所示，当时，形成拍峰X
max
＝X1+X2；当时，形成拍谷X
min
＝X1‑
X2；因此可以通过拍峰值、拍谷值之间的加减运算算得到不同频率信号的幅值X1、X2，如式(2)所示。
[0013][0014][0015]式中X1、X2、ω1、ω2、为内、外转子不平衡振动的幅值、角频率和相位，且X1&gt;X2，
[0016]拍振波形中不同频率信号的相位分离如图4所示，在自动平衡执行器内安装霍尔传感器测量内外转子的基准信号，通过测量内外转子基准信号的上升沿与拍振信号拍峰位置处的相位差，得到内外转子各自振动信号的相位。首先，将得到的不平衡振动的幅值和相位作为自动平衡控制器的输入；然后，施加试重结合影响系数法计算得到内外转子不平衡量的大小和方位；最后，软件计算出两个配重块移动方向和移动步数，通过自动平衡控制器控制执行器动作以抵消转子的不平衡量。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：该方法的具体实施步骤如下：(1)首先安装同轴对转双转子试验台的振动测量系统，包括两部分：配重盘定位测量和转子系统振动测量；配重盘的定位测量系统预装在自动平衡执行器内部，转子系统振动测量采用加速度传感器用来测量轴承处的双转子耦合振动；(2)在控制软件中设置内外轴转速，使之存在微小差值且不小于20RPM；(3)将内外轴平衡执行器中的平衡块均固定于0
°
、180
°
的初始位置，测量内外轴单转的原始振动，保持外轴不动运行内轴，测量内轴的振动响应保持内轴不动运行外轴，测量外轴的振动响应(4)微速差的状态下同时启动内外轴，测量双转子原始耦合振动信号，并拍振信号分离方法分离出内、外轴原始不平衡振动响应(5)对比单转测量的振动响应与对转耦合测量后分离的振动响应，计算分离误差，判断是否在合理误差范围内；(6)在控制软件中移动内轴平衡块，测量微速差的状态下双转子内轴试重后耦合振动信号，并分离出内轴试重后不平衡振动响应(7)在控制软件中将内轴平衡块移到初始位置，然后移动外轴平衡块，测量微速差的状态下双转子外轴试重后耦合振动信号，并分离出外轴试重后不平衡振动响应(8)按照上述平衡步骤所测得的数据，利用影响系数法计算出内、外转子的不平衡量如式(3)、(4)所示；如式(3)、(4)所示；(9)执行自动平衡；基于影响系数法的靶向自动平衡控制策略和自动平衡块移动算法，驱动两配重块移动到相应位置抵消不平衡量。2.根据权利要求1所述的一种基于微速差的桨扇同轴对转结构自动平衡控制方法，其特征在于：拍振波形是由频率非常接近的两个正弦波形组成，其叠加后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立芳，李瑞花，龙昱达，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：