[发明专利]一种航空发动机用无键相虚拟动平衡方法

说明书

本发明公开了一种航空发动机用无键相虚拟动平衡方法，属于振动主动控制和人工智能技术领域。本发明针对某些无法测量转速信号而又急需动平衡的旋转机械，可建立与之相似的有限元模型上，施加虚拟不平衡量后对其进行稳态分析。根据实测的转子振动幅值，利用编写的有限元转子动力学程序，采用非线性粒子群优化算法对不平衡量的位置进行寻优。该方法无需相位信息，可在任一转速下通过一次原始振动测量，便能精确得到配重大小。再通过一次任意相位或重量的试重，即可计算出配重两个可能的位置。

技术领域

本发明属于振动主动控制和人工智能技术领域，具体涉及一种基于有限元动力学响应和粒子群算法的无键相虚拟动平衡方法，本发明针对航空发动机转子或风扇动平衡，以及其它旋转机械转子动平衡领域。

背景技术

航空发动机在高速、高温、高载荷作用下，转子系统会发生变形、磨损及同心度的变化，会使转子由于质心偏离旋转中心引起振动，进而导致整机振动大。不平衡是发动机振动产生的主要原因，其中质量不平衡引起的振动故障是常见且危害很大的故障之一。而在现场的实际动平衡操作中，大多采用影响系数法，由于该方法至少需要一次配重，且配重的大小一般需要凭借经验进行确定,因此平衡费用较高。同时，反复的起车造成生产成本上的很大损失。在满足平衡要求前提下，需尽量减少启停机次数，提高动平衡效率。

目前较为成熟的动平衡方法有影响系数法、模态平衡法、坐标轮换寻优以及它们的优化方法等，影响系数法和模态平衡法皆需要转子多次试运行来实现数据采集以进行不平衡量识别，此类方法为稳态平衡法。坐标轮换寻优在每次平衡调整前均进行试调，以确定下一步调整的方式和方向。该方法简单实用，在稳态及非稳态情况均适用，但试调过程存在盲目性，在寻优过程中会造成错调；且每次寻优都是从头开始，之前的调整过程存在的有益数据未能有效利用，平衡效率较低。虚拟动平衡作为一种新兴技术，可在仿真模型上添加虚拟激励来进行不平衡响应分析，大大提高平衡成本和效率。

实际的现场动平衡中，大都需要测量转子振动相位以此来获得配重位置，因此需要事先安装键相传感器，方能很好地完成转子现场动平衡。然而航空发动机结构特殊，有时候并不具备输出相位信息的条件，给实际动平衡带来了很大的难题，因此探寻一种无键相的动平衡方法对航空发动机而言至关重要。

公开号为CN104062072A的专利提出“一种基于微分搜索算法的轴系动平衡多目标优化方法”；公开号为CN106092445A的专利提出“一种基于矢量三角形计算法找转子动平衡的方法”；公开号为CN107389268A的专利提出“一种基于快速算法的多点现场动平衡方法”。

目前，针对转子虚拟动平衡的算法中，公开号为CN106644272A的专利，提出了一种“非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡机及动平衡设计方法”，与本专利不同的是，它主要是用于解决蜗杆等非轴对称复杂曲面回转件的动平衡设计问题，不涉及旋转机械关于不平衡量的配平问题。公开号为CN104535262A的专利，提出了“一种透平机械N+1支撑轴系整机无试重虚拟动平衡法”，它是根据转子尺寸和实际运行参数等构建多转子轴系动力学有限元实体模型，施加不平衡激励后进行轴系稳态同步响应分析，通过采用最小二乘法解方程，获得机组轴系配重的大小和角度，与本专利不同的是它用的是影响系数法，需要键相信号测量相位,不能用于无键相的场合。

机器学习算法也逐渐应用到各个领域。公开号为CN108198197A的专利，提出了利用粒子群算法求解图像边缘检测的最优灰度阈值，它在粒子群算法PSO的基础上提出优化方法，并建立了惯性权重调整公式：

其中，W为调整后的惯性权重，t_m钨x为最大迭代次数，t为当前的迭代次数，W_m钨x为最大惯性权重值，W_min为最小惯性权重值。公开号为CN106548230A的专利，提出了用粒子群算法优化神经网络来应用于变压器的故障诊断，其中对粒子群算法也提出了优化改进，即加入收缩因子β，设置可以非线性自适应调整的惯性权重W，其表达式如下：