СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ НАГРУЗОК НА ДВИГАТЕЛЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF MEASURING VIBRATION LOADS ON AIRCRAFT ENGINE

Область техники.
Изобретение относится к области измерения вибрации авиационной техники, более конкретно к способу измерения вибрационных нагрузок на двигателе летательного аппарата и выделения гармонических и случайных составляющих смешанного вибрационного процесса, и может быть использовано для оценки вибрационной совместимости двигателя новой конструкции при его работе в системе данной силовой установки. Способ решает задачу оценки уровней и структуры вибраций на двигателе, на конструкции фюзеляжа при летных испытаниях вновь создаваемых и модернизируемых самолетов и вертолетов.
Уровень техники.
Известен способ выделения случайной компоненты вибраций машин периодического действия, заявленный в патенте SU 1280961 A1, с измерением координаты центра тяжести амплитудно-частотного спектра этой компоненты. Однако этот способ не предполагает получения характеристик гармонических и случайных компонент, требуемых для описания вибрации на двигателе ЛА, и применяется лишь для вибрационной диагностики машин периодического действия.
Известен способ выделения гармонических вибраций путем применения автоматической частотной настройки соответствующего узкополосного фильтра при обработке смешанного вибрационного процесса, заявленный в патенте RU 2394216 C1. После настройки всех фильтров по уровню задаваемой пороговой величины производят широкополосную фильтрацию исходного вибрационного процесса и последующую окончательную обработку полученного после фильтрации процесса. Этот способ не позволяет сразу получить характеристики и гармонических, и случайных компонент, при этом необходимо задавать пороговые величины амплитуд гармонических составляющих, которые при измерении на ЛА не только не известны, но и должны быть получены в результате обработки.
Известен способ измерения случайных вибронагрузок на двигателях силовой установки самолета, заключающийся в том, что регистрируют одновременно входные случайные вибрационные нагрузки в контрольных точках конструкций двигателей и выходную вибрационную нагрузку в контрольной точке упругой подвески силовой установки. Выделяют гармонические составляющие с использованием корреляционной функции. Эти составляющие определяются путем последовательной многократной фильтрации корреляционной функции смешанного процесса до момента выполнения краевых условий, выбранных по степени затухания корреляционной функции в пределах задаваемой при обработке временной реализации исходного вибрационного процесса (Пат. Российской Федерации 2036450 C1, опубл. 27.06.1995).
При использовании этого способа обработка измеренного процесса выполняется столько раз, сколько содержится гармоник в этом процессе, структура которого заранее неизвестна, с заключительной обработкой отфильтрованного процесса. Такой подход значительно увеличивает материальные и временные затраты на получение результатов, причем их достоверность зависит от субъективных условий при выборе степени затухания корреляционной функции.
к
к
При этом формируют когерентный спектр раздельной вибросоставляющей отдельного двигателя, после чего выделяют из этого спектра квазигармонические вибрационные нагрузки на дискретных частотах, трансформируют когерентный спектр в корреляционную функцию R(m) раздельной вибрационной составляющей двигателя, определяют амплитудные уровни A и частоты ω квазигармонических вибрационных нагрузок путем разложения периодического отрезка корреляционной функции в ряд по косинусоидальным гармоникам вибропроцессора, коэффициенты разложения в виде дисперсий определяют по формуле
где R(m) - корреляционная функция;
m - дискретное преобразование времени;
k - дискретное преобразование частоты;
N - количество ординат обрабатываемой реализации вибропроцесса.
Таким образом, гармонические составляющие определяются путем последовательной многократной фильтрации корреляционной функции смешанного процесса.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- обработка измеренного процесса выполняется столько раз, сколько содержится гармоник в этом процессе, структура которого заранее не известна;
- точность выделения гармонических составляющих зависит от произвольного назначения степени затухания корреляционной функции;
- для вычисления характеристик вибрационного процесса, полученного после выделения гармонических составляющих, необходимо провести еще одну обработку по алгоритмам анализа случайного процесса.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения параметров гармонических и случайных составляющих вибрационного процесса, измеренного на двигателе, упрощении процедуры обработки и значительного сокращения времени анализа результатов.
Существенные признаки.
xx
xx
xx
i
i
xx
i
i
i
Для получения указанного технического результата в предлагаемом способе измерения вибрационных нагрузок на двигателе летательного аппарата, включающем регистрацию вибрационного процесса в контрольной точке двигателя, обработку вибрационных измерений, получение спектральной характеристики этого процесса, выделение гармонических составляющих, определение амплитудных уровней и частот гармонических составляющих, сопоставление их с аналогичными параметрами, установленными в технических требованиях, оценку вибрационной совместимости нового двигателя, работающего в составе силовой установки, зарегистрированный процесс обрабатывают как случайный с представлением результатов в графической форме. Вычисляют спектральную плотность мощности ускорения вибрационного процесса и вычисляют интегральную характеристику Q(f) как функцию частоты, представляющую накопленную по частоте площадь по кривой спектральной плотности мощности ускорения вибрационного процесса W(f). Затем определяют амплитудные уровни и частоты гармонических вибрационных нагрузок путем выбора частот с резко выделяющимися на них уровнями спектральной плотности в W(f) и выявления на этих же частотах fскачкообразных приращений Δ ординат площади, которые характеризуют гармонические составляющие в анализируемом вибрационном процессе в интегральной характеристике Q(f). Определяют амплитуды ускорения гармонических составляющих вибраций зарегистрированного процесса по результатам приравнивания каждой Δ на частотах f к среднему значению квадрата амплитуды  гармонического колебания, равному величине дисперсии гармонического колебания на частоте f, а все остальные частоты, где отсутствуют скачкообразные приращения, относят к случайным составляющим измеренного вибрационного процесса с уровнями полученной спектральной плотности мощности.
В реальных условиях полета на конструкции фюзеляжа ЛА и на двигателях возникают вибрационные процессы. Источники процессов затруднительно определить и измерить их характеристики. Для этого выполняют измерения параметров вибрационных процессов. Эти процессы могут иметь разные структуры, зависящие от наличия и комбинации в них случайных и гармонических (синусоидальных) составляющих. Для описания измеренного вибрационного процесса применяют характеристики отдельно для случайных составляющих и отдельно для гармонических составляющих. Зарегистрированный вибрационный процесс в виде временной реализации текущих ординат путем применения известных преобразований Фурье превращают в амплитудный спектр, если процесс гармонический, либо в спектр плотности мощности ускорения, если процесс случайный.
Как известно, гармоническая вибрация характеризуется амплитудным спектром, представляющим распределение амплитуд процесса на дискретных частотах, а случайная вибрация - распределение спектральной плотности мощности ускорения процесса в диапазоне частот.
Предлагаемый способ поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображены графики обработанного вибрационного процесса для выявления характеристик синусоидальной и случайной вибрации, измеренной на двигателе самолета.
xx
i
xx
i
xx
i
2
2
Для пояснения сущности изобретения на фиг. 1 представлен график спектральной плотности мощности амплитуд виброускорения (1) W(f), в единицах g/Гц, и график интегральной характеристики (2) Q(f), представляющий изменение площади с ростом частоты f под графиком (1), в единицах g, а также показаны скачкообразные приращения ординат (3) интегральной характеристики на Q(f) (2).
Способ осуществляется следующим образом.
xx
xx
i
i
i
xx
В условиях полета с помощью вибропреобразователей на двигателе самолета или вертолета производят измерения и регистрацию вибрационного процесса, по алгоритмам получения характеристик случайного процесса получают в виде функции частоты график спектральной плотности мощности ускорения вибрационного процесса W(f) (1) и график интегральной характеристики Q(f) (2). На частотах f в первой характеристике (1) находят резко выделяющиеся уровни спектральной плотности, а во второй характеристике (2) - скачкообразные приращения Δ (3) ординат площади на этих же частотах f, которые приравнивают к среднему значению квадрата амплитуды гармонической составляющей, а все остальные частоты, где отсутствуют скачкообразные приращения интегральной характеристики Q(f), относят к случайным составляющим измеренного вибрационного процесса с уровнями полученной спектральной плотности мощности. Полученные характеристики гармонической вибрации и случайной вибрации проверяют на совместимость с аналогичными параметрами, установленными в нормативно-технической документации, и выдают заключение о степени их соответствия.
i
i
xx
i
i
i
Структура вибрационных процессов зависит от наличия гармонических (синусоидальных) и случайных составляющих и проявляется в частотной характеристике этих процессов. Как известно, гармонические вибрации характеризуются амплитудно-частотным спектром, отражающим распределение амплитуд вибрации x на частотах f. В качестве амплитуды вибрации могут быть амплитуды смещения, скорости, ускорения. Оценку характеристик смешанного вибрационного процесса, возникающего на двигателе самолета или вертолета в процессе полета, определяют путем обработки смешанного процесса, замеренного на двигателе, по алгоритмам характеристик случайного процесса получают спектральную плотность мощности ускорения вибрационного процесса W(f) в виде графика, имеющего также смешанную структуру. Спектральная плотность мощности амплитуды гармонического колебания равна бесконечности на частотах этих колебаний и нулю при других значениях частоты, а интеграл спектральной плотности мощности, взятый в пределах диапазона частот (f÷f) при (f-f)→0, имеет конечное значение, равное среднему значению квадрата амплитуды ускорения на частоте f, таким свойством обладают только гармонические вибрации. Аналитическое выражение гармонического слагаемого, действующего в составе смешанного процесса, по принятому интегральному преобразованию для спектральной плотности мощности ускорения определяется по формуле
i
где δ(f-f) - дельта-функция;
- величина дисперсии гармонического колебания.
(См. литературу Г. Дженкинс, Д. Ваттс. «Спектральный анализ и его приложения». М.: «Мир», 1971).
xx
Указанное свойство гармонических составляющих, входящих в смешанный процесс, используют для получения характеристик синусоидальной вибрации при выполнении обработки этого процесса как чисто случайного. Для этого предлагается по полученным значениям спектральной плотности мощности вычислять интегральную величину Q(f) как функцию частоты по формуле
н
где f - нижняя частота исследуемого процесса;
b
f - верхняя частота исследуемого процесса.
i
При этом в пределах диапазона частот (f-f) интегральный спектр накапливает площадь в соответствии с формулой
и эта площадь равна .
i
i
Следовательно, интегральный спектр в точке f=f получает скачкообразное приращение площади Δ, равное величине дисперсии гармонический колебаний , т.е.
i
i
где A - амплитуда гармонических колебаний на частоте f.
xx
i
i
xx
i
i
i
m i
На частотах гармонических составляющих значение функции Q(f) меняется скачком на величину , где A - амплитуда гармонической составляющей на частоте f. Вычисленные значения спектральной плотности мощности ускорения вибрационного смешанного процесса W(f) на этих частотах f обнуляются, так как на этих частотах присутствуют гармонические составляющие вибрации с частотой колебания f и амплитудой A. На всех остальных частотах исследуемый процесс носит случайный характер.
xx
i
Точность определения значения частоты по предлагаемому способу определяется дискретным шагом по частоте Δf при вычислении W(f), рекомендуется значение Δf выбирать в пределах 0,5 Гц…1,0 Гц. Значение A не зависит от этого параметра.
Пример.
В контрольной точке двигателя вертолета Ка-226 установлен преобразователь для регистрации вибрационного процесса. В полете измеряют вибрацию на различных режимах эксплуатации с целью выделения гармонических и случайных составляющих этого процесса. Получаемые характеристики гармонических и случайных вибраций служат для контроля за вибрационным состоянием двигателя, так как в технических условиях на двигатель и его оборудование установлены технические требования по параметрам этих вибраций.
xx
i
1
2
3
4
xx
i
1
2
3
4
Зарегистрированный процесс обрабатывают как случайный с представлением результатов в графической форме, см. фиг. 1 (1, 2). Определяют в характеристике W(f) (1) на частотах f, f, f и f резко выделяющиеся уровни спектральной плотности мощности. В интегральной характеристике Q(f) (2) выявлены скачкообразные приращения Δ (3) ординат площади на тех же частотах f, f, f и f. Указанные приращения характеризуют гармонические составляющие в анализируемом вибрационном процессе. Затем по формуле (1) определяют амплитуды ускорения гармонических составляющих вибрации зарегистрированного процесса:
1
1
1
2
на частоте f приращение Δ=2,2 g, что соответствует A=2,1 g;
2
2
2
2
на частоте f приращение Δ=5,1 g, что соответствует A=3,17 g;
3
3
3
2
на частоте f приращение Δ=1,03 g, что соответствует A=1,43 g;
4
4
4
2
на частоте f приращение Δ=2,7 g, что соответствует A=2,32 g.
Остальные частоты, где отсутствуют скачкообразные приращения, относят к случайным составляющим измеренного вибрационного процесса с уровнями полученной спектральной плотности мощности. Полученные характеристики гармонической вибрации и случайной вибрации проверяют на совместимость с аналогичными параметрами, установленными в технических требованиях к двигателю и его оборудованию, и выдают заключение о степени их соответствия.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит упростить процедуру обработки параметров гармонических и случайных составляющих вибрационного процесса и значительно сократить время для анализа большого числа измерений.