鱼雷涡轮发动机具有功率大、体积小、质量轻等特点, 是提高鱼雷航速, 研究超重型鱼雷和 闭式循环鱼雷动力系统的

　　叶轮是涡 轮机的关键部件, 为避免涡轮机叶轮在发动机升速、部分进气脉冲激励力影响下发生共振,增大振动噪声甚至危及发动机的安全运行, 有必要准确测量出叶轮的模态。

　　基于激光多普勒技术的 Polytec PSV-400 型 激光测振仪具有测量精度高、动态响应快、测量 范围大、非接触测量等特点, 已经在振动测量领域广泛应用。

　　尤其在薄壁件或复杂结构表面，难以安装普通传感器等特殊工况下的振动测量时具有显著优势。

　　测试方案将叶轮弹性固定在支架上, 利用激光测振仪的形貌扫描单元获取叶轮的形貌数据, 直接在图像上定义扫描区域并布点。

　　在所选的激励点处分别采用单点锤击和激振器来激振, 测量叶轮模态的固有频率和振型。

　　用力锤激励叶轮 并产生激励信号 , 同时96PVDF 压电薄膜采集叶轮的响应信号, 输出的微 弱电荷信号经电荷放大器放大并转换为电压信号, 与力锤上的力传感器采集的激励信号一同输入 LMS 采集器。

　　为增强激光测试的反射光强度, 在叶轮盘上粘贴反光纸, 根据叶轮的外形特点, 按照图 5 布置圆形扫描网格, 避开叶轮盘圆角位置, 布置 5 圈, 每圈 20 个测点。

　　进行激光测振测量叶片时, 调整激光焦距, 放大叶片图像, 在放大后的单个叶片图像上布置 3×3 矩形扫描网格。

　　在叶轮盘 前端面外圈均匀布置 8 个测点, 内圈布置 4 个测 点, 每次测量 4 个测点。

　　PVDF 压电薄膜选取锦州科信电子材料公司 生产的传感器, 其型号参数如表 2 所示。

　　选用 B&K2693 型电荷放大器, LMS 信号采集系统及12A 模态分析软件。

　　测量固有频率时, 用力锤对叶轮施加激励力, 选取任意 2 个扫描网格节点作为振动响应测点。

　　力锤每敲击 1 次, 高精度激光干涉仪输出激光, 垂直照射到待测目标点上, 同时收集由目标散射回的激光, 经干涉产生正比与目标速度的多普勒频移信号, 完成 1 个测点的振动响应信号测量。

　　在 Polytec 分析软件中, 根据各测点的频响函数 解算出叶轮固有频率。

　　其中2 个测点的频响曲线个测点对应每阶固有频率基本一致, 取其平均得叶轮的前 5 阶固有频率。

　　测量叶轮振型时, 激振器通过功率放大器与激光测振仪的连接箱相连, 由其内置信号发生器产生单频正弦激振信号驱动激振器工作。

　　在 Polytec 分析软件中根据各测点的振动响应信号构造出叶轮的前 5 阶振型。

　　可以看出由于激光可以大量布点, 测量出的振型清晰直观, 将变形细节显示的非常清楚。

　　图11激光测量叶片振型图不足无法完整反映叶片振型, 导致扫描结果并不清晰。

　　且叶片振型扫描时采用激振器激振,激振器的质量和激振杆的刚度以及激励点的位置皆有可能导致测量结果误差较大。

　　测得叶片中心点的频谱特性曲线 所示, 谱线光滑, 谱峰清晰明辨。测得叶片固有频率见表 4。

　　在 LMS Test.lab 模态测试系统进行通道设 置、锤击示波、触发设置, 输入信号加力指数窗, 响应信号加指数窗。

　　力锤对叶轮激励的同时 PVDF 压电薄膜采集叶轮的响应信号, 输出的微弱电荷信号经电荷放大器放大并转换为电压信号, 与力传感器采集的激励信号一同输入采集器。

　　从振型测试结果来看, 1~4 阶依次为 1 节径摆振, 2 节径翘曲振动、轴向呼吸, 3 节径翘 曲振动, 5 阶振型理应为 4 节径翘曲振动, 但测试 结果与 2 阶振型极为相似。

　　所有阶次的模态振型 较难辨识, 究其原因在于以有限的传感器节点建立的点和线模型难以准确反映局部变形。

　　采用 PloyMAX 算法进行固有 频率参数识别, 分析出叶片的固有频率。

　　由于叶片尺寸限制 , 无法在其表面布置多个 PVDF 压电薄膜, 所以无法测量出叶片的振型。

　　由激光测振和 PVDF 压电薄膜测振技术测量的叶轮盘和叶片模态固有频率的对比分别。

　　综合分析比较 2 种测振方法, 可以看出二者 测量叶轮叶片固有频率的频响函数谱峰清晰明 辨。

　　在模态振型测量时, 激光测振可进行高密度 测点布置, 测量的叶轮振型相对 PVDF 压电薄膜 的测量结果更加清晰直观, 更能反映局部振动状态。

　　且激光测量光束较细(约 2 mm), 相比传感器 的尺寸更接近于点的振动测量。

　　PVDF 压电薄膜测振技术具有附加质 量影响小、价格低廉、测试系统简单等显著优点, 但其传感器在粘贴及拆除过程会容易造成膜片损坏, 可重复利用率不高。

　　将完全无附加质量的非接触式激光测振技术和小附加质量的PVDF 压电薄膜引入鱼雷涡轮 机叶轮模态测试中。

　　有效消除了普通接触式加速 度传感器测振所带来的附加质量问题, 克服了加速度传感器无法在小尺寸叶片上安装布置的难题, 首次测量出叶轮前 5 阶模态参数。

　　探索了叶片模态测试的可行性，而更好的叶片模态测试方法及测试结果的精度有待进一步研究。

　　研究表明，非接触式激光测振技术具有无需 接触或损害被测试件、可大量布置测点、振型结 果显示清晰直观等显著优点，适用于小体积、轻质量、薄壁件的振动测量。

　　采用 PVDF 压电薄膜测量叶轮时在较高频率范围的测试精度和抗干扰性较好，但不适用于低频测量，且振型容易产生混淆，可用于激光测振无法实现等工况下的测量。

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