航空活塞式发动机振动试验方法 编制说明

《航空活塞发动机振动试验方法》编制说明Testmethodforaircraftreciprocatingenginevibratio1本标准是国标委〔2023〕58号文下达的国家标准计划项目之一，由全国航空器标准化技术委员会提出并归口，由中国民用航空适航审定中心、芜湖钻石本标准的主要参与单位有中国民用航空适航审定中心、中国航空综合技术中国民用航空适航审定中心为标准主要编制单位，负责标准的编制，负责中国航空综合技术研究所、芜湖钻石航空发动机有限公司负责参与标准编制，负责项目申报及各阶段标准的技术协调和标准审查，负责组织和协调标准讨论会、审查会，负责标准送审和报批的材料准备等，编制组成员主要分工见22023年12月，根据工作需求，形成由中国民用航空适航审定中心、中国航空综合技术研究所、芜湖钻石航空发动机有限公司负责标准的编制，提出了标2024年5月，编制组根据工作计划，分析了国内外相关振动试验方法的标准，调研了国内外航空活塞发动机针对振动试验的验证方法，并结合芜湖钻石航空发动机有限公司AEC2.0L发动机在适航取证过程中有关振动符合性验证的情况，2024年5月，全国航空器标准化技术委员会在芜湖组织召开了《航空活塞式发动机振动试验方法》等两项国家标准项目初稿讨论会，会议邀请了中国民用航空适航审定中心、中国民航科学技术研究院、中国航发湖南动力机械研究所、南京航空航天大学、中国北方发动机研究所、西安爱生科技技术集团有限公司等单位，共13位专家对标准初稿进行审查，共提出21条意见。会后，编制组根和起草规则》进行编制，按标准制定的程序进行工作，广泛征求国内有关意见，1）总结活塞发动机适航验证试验和科研试验的经验，对过程、设施、数据2）协调相关标准，支持适航条款要求，参考同类型活塞式发动机相关试验33）考虑方法的通用性、可扩展性，对其他活塞发动机同类型试验具有普遍本标准主要规定了航空活塞式发动机振动试验的方法、试验大纲的要求、试验条件、试验仪器设备、振动试验件筛选的原则、试验流程、试验步骤、试验数据处理，以及试验报告等内容，本标准主要依据GB/T20001.4-2015《标准本文件规定了航空活塞式发动机振动试验的试验条件、试验件、试验装置第4章为“试验目的”，主要阐述了航空活塞式发动机振动试验验证的目的。由于活塞发动机在正常工作的过程中会产生振动，过大振动可能导致发动机关键部件破坏，危害航空器安全。通过振动试验的方式有助于发现潜在的问题，1)验证发动机不会把过大振动传递到振动敏感部件和航空器结构。考核对象为发动机外部振动敏感部件和高压燃油共轨等关键部件以及发动机安42)验证发动机的轴类零部件（曲轴和螺旋桨轴或其他输出轴）的振动应力在所有气缸正常点火工况下不会导致疲劳破坏，确定在单只气缸不点火1)开展振动扫频试验，利用加速度计、位移传感器、转速传感器等测量设备实时监测发动机在规定的转速范围内振动响应，包括位移、速度、加2)对上述振动扫频试验获得的峰值振动响应进行评估，在每一选定的峰值振幅的工况点进行振动驻留试验并进行发动机分解检查，表明发动机部件不会导致疲劳破坏、发动机不会将过大的振动力传给航空器结构且发动机轴类零部件在所有气缸正常点火工况下的振动应力不会导致疲劳破3)对发动机开展缺缸振动扫频试验，获取单只气缸不点火工况下发动机轴类零部件和安装节的振动特性，以确定发动机在此非正常状态下安全使第6章为“试验前准备”，规定了试验大纲、试验转速确定的原则、振动试“6.1试验大纲”一节根据振动试验的试验特点和要求，提出了试验大纲主“6.2试验转速的确定”一节明确振动试验转速的确定原则，依据来源为规1)所有气缸正常点火工况下的振动试验中的转速要求来自于CCAR-33R2第2)单只气缸不点火工况下的振动试验中，发动机转速仅需覆盖从慢车转速到所要求的最大起飞转速来源于CCAR-33R2第33.43(d)款。考虑到供无人飞行器使用的低缸数发动机等，这类型发动机单只气缸不点火后功率大幅衰减，无法达到最大起飞转速，对于这一类发动机，最大转速放宽到发动机在缺缸条件下53)振动试验中需要分别考虑发动机转速快速加减和慢速加减对振动应力结果的影响。本标准给出了快/慢速加减速率的推荐值：快加减速速率为模拟飞行“6.3振动试验件的确定”一节明确了发动机构型中各零部件按照不同分类等级确定振动试验验证的方法，按照零部件失效对发动机影响程度定义关键件1）失效后会危害发动机安全的关键部件，如燃油管路、高压共轨等部件，需要对部件进行振动扫频试验，确定部件的最大振动位移对应的转速工况点，并且在该工况点进行振动驻留试验，以表明在具有代表性的应力循环次数下，2）轴类零部件，如曲轴、螺旋桨等其他发动机输出轴，需要对轴进行振动扫频试验，确定轴的最大扭转对应的转速工况点，并且在该工况点进行驻留试3）针对轴类零部件和发动机安装节进行缺缸振动扫频试验，以确定在此非正常工作状态下的安全使用条件，缺缸振动扫频试验使用的发动机转速范围为4）其他零部件通过分析或试验表明部件的固有频率，如固有频率大于安全极限频率，则认为该部件为振动不敏感部件，可通过分析表明符合性；反之则认为该部件为振动敏感部件，需要通过对部件进行振动扫频试验，确定部件的最大振动位移工况，并且在该工况点进行振动驻留试验，以表明在具有代表性“6.4试验装置”一节针对振动试验试验装置的组成、功能和具体要求进行了说明。首先给出了振动试验的试验装置组成示意图，并分别叙述了每一部分1）对振动试验台提出了要求，首先明确了振动试验应当在安装螺旋桨的前提下进行，并且发动机振动试验使用的螺旋桨必须要具有代表性（持久试验使用的螺旋桨），发动机的安装状态同样应当模拟在飞机上的结构和刚度，以模62）对振动试验负载提出了要求，考虑到发动机在正常工作过程中对外输出负载（如真空泵、发电机等）对发动机振动也有影响，那么在振动的过程中，3）对传感器与数据采集系统提出了要求，主要是针对振动试验过程中的传4）对发动机试验过程中的安全防护装置提出了要求，因试验过程中将使用螺旋桨，并且试验转速也较高，一旦出现螺旋桨轴出现破坏，会造成螺旋桨的高速飞出，可能出现重大安全事故，所以需要在试验过程设置相应的防护装置防止螺旋桨可能出现的飞出故障，同时也应当有预防发动机出现其他故障的应“6.5试验测量设备要求”一节对振动试验用测量设备提出了要求，包括转速传感器和加速度传感器的测量精度以及相应的采样频率要求。此外也对试验2)加速度传感器精度为5%，采样频率设置不低于10KHz的要求来自于加速度测试所需的精度以及按照5000rpm，最高30倍频估算的采样频率要求。第7章为“试验要求”，分别规定了振动扫频试验、振动驻留试验和缺缸振动扫频试验的试验流程、试验装置和测量设备的检查、振动测量设备的安装、“试验装置和测量设备检查”一节规定试验前需要对装置和设备进行制造符合性检查，以确定这些装置和设备满足试验的要求，并且对试验人员也提出了操作资质要求，确保试验人员熟悉装置和设备的使用和操作，避免试验过程“振动测量设备的安装”一节明确了传感器的安装位置，对于有测量振幅要求的零部件，需要安装在发动机振动显著位置或具有代表性的部位。对于传感器的安装方式、固定方式、信号线缆布置和传感器方法也提出了相应的要求。“试验测试操作”一节，按顺序描述了振动扫频试验、振动驻留试验和缺缸振动扫频试验的试验步骤和要求。主要包含试验前的试验件检查、试验测量7设备的检查、发动机热机、试验设备运行状态检查、试验加载（对外输出装置）“试验条件确认”一节主要是确认试验前的试验装置和设备检查的结构是否满足试验大纲的要求，只有符合相应的要求才能进行后续的试验。针对振动驻留试验因为要在振动扫频试验的基础上确定振动驻留试验时间，所以试验前……n——驻留工况点的发动机转速，单位r/m“试验数据采集及分析”一节针对不同的振动试验明确了必须采集的数据类型，对于振动扫频试验由于需要对扫频数据进行振动分析为驻留试验提供依据，所以需要将试验件的振动加速度、位移、轴系的扭转和发动机的数据记录下来作为后续的数据分析的依据。对于缺缸振动扫频试验是为了确定在飞机正常工作状态下的安全使用条件，同样需要将试验件的振动加速度、位移、轴系的扭转和发动机的数据记录下来作为后续的数据分析的依据。对于振动驻留试验是为了考核零部件在发动机转速工况下的疲劳寿命，驻留时间和发动机转速将是考核的必要项目，所以这两个数据必须要记录以确认是否满足试验大纲的第8章为“应急处置”，规定了发动机振动试验过程出现任何故障或异常情第9章为“试验数据处理”，给出了振动扫频试验和缺缸振动扫频试验过程8本标准是通过结合FAA、EASA对活塞式航空发动机振动及振动试验的适航要求，以及国内外活塞式航空发动机（AEC2.0L、AE300、TD300等发动机）振动符合性验证的经验编制而成，本标准规定的航空活塞式发动机振动及振动试首先振动及振动试验的符合性表明对象是整个发动机构型中的所有零部件，针对这些零部件的失效影响，将其分为关键部件、轴类部件（曲轴和螺旋桨轴）针对油管类、油轨、高压燃油泵、发动机支架，其中，油管类、油轨、高压燃油泵失效后会产生不可控火情等后果，发动机支架失效后，导致非故意的发动机脱开等后果，因此此类零部件定义为关键部件，需要对其进行振动分析同时针对轴类零部件（曲轴和螺旋桨轴）和发动机安装节需要进行缺缸振其他零部件通过分析或试验表明部件的固有频率，如固有频率大于安全极限频率，则认为该部件为振动不敏感部件，可通过分析表明符合性；反之则认为该部件为振动敏感部件，需要通过对部件进行弯曲扫频试验，确定部件的最大振动位移工况，并且在该工况点进行振动驻留试验，以表明在具有代表性的振动试验中需要分别考虑发动机转速快速加减和慢速加减对振动应力结果振动扫频试验的转速范围为：依照33.43(a)条款开展的所有气缸正常点火工况下的振动试验中，发动机转速需覆盖从慢车转速到所要求的最大连续转速额缺缸振动扫频试验的转速范围为：依照33.43(d)条款开展的单只气缸不点火工况下的振动试验中，发动机转速仅需覆盖从慢车转速到所要求的最大起飞转9振动驻留试验的转速：依据振动扫频试验的数据，计算出需要驻留试验的发动机在试验台架上的安装方式和安装刚度必须能代表其典型的安装，并当发动机用来驱动螺旋桨时，发动机的振动试验该项测试必须采用与持久振动试验的发动机需要包括附件传动装置，并按照33.43(c)要求加载以考察振动扫频、缺缸试验测试方案如图1所示，振动敏感部件和关键部件使用加速度传感器测量试验件的加速度，同时在安装加速度传感器的时候要注意区分传感器的坐标系应当和发动机的坐标系的对应关系，以便于所有传感器坐标系的统一（如图4所示），曲轴使用光电编码器测量曲轴扭角，双质量飞轮使用磁电式转速传感器测量双质量飞轮的转速，螺旋桨轴使用磁电式转速传感器测量螺旋桨轴的扭角，数据采集仪采集这些传感器的输出信号，并保存到计算机上。零部件加速度、速度零部件加速度、速度振动敏感部件和关键部件三向加速度计光电编码器计算机双质量飞轮转速双质量飞轮螺旋桨轴光电编码器计算机双质量飞轮转速双质量飞轮螺旋桨轴数据采集仪螺旋桨轴螺旋桨轴 三向加速度计安装点 3 1 345高压油管1高压油管2高压油管3高压油管4高压油管油轨三向加速度计安装图3转速传感器的安装通过传感器采集到的数据进行处理，绘制位移/速度/加速度-转速图（如图5所示）和转速、阶次、振动幅值三维谱图（瀑布图），如图6所示。并依据振幅根据分析，AEC2.0L发动机的振动关键零部件为曲轴、螺旋桨轴、油轨和高压油管，需要进行振动驻留试验，并且试验完成后进行探伤检查，确认零部件振动驻留试验的工况点是通过振动扫频试验得出的振动加速度数据（非轴系）和振动扭转（轴系）数据，通过数据处理得出在最大振幅或最大扭转的发n——驻留工况点的发动机转速，单位r/m振动驻留试验结束后对驻留的考核件进行了检查，检测结果见下图7至