1概述
本文研究采用合理的金属屑末信号器安装结构来有效降低振动幅值和避开关键转速频率。在系统级层面上，进行不同安装结构与不同安装方式的比对，研究相同激励下不同安装方式对成附件的振动影响。在单个构件上，进行不同材料与结构的比对分析。最终目的就是在同等激励条件下，对比目前在用的成附件及其安装结构，使振动有所降低。在综合考虑振动量与避开发动机机匣共振频率情况下，给安装在发动机机匣上与管路系统相连的成附件提出较好的减振方案。
2研究目标和主要内容
分别以传统的0Cr18Ni9不锈钢材料支架，以及新型的高阻尼合金材料支架、周期结构[2]材料支架安装、硬质聚氨酯支架，基于ANSYSworkbench进行支架的结构级有限元分析，对不同材料的单个支架进行了模态分析和谐响应分析。通过对比分析不同安装结构支架的振动传递特征，分析其对振动的传递规律。
针对上述四类支架，与金属屑末信号器的简化结构、关联的两个管路进行系统级振动分析[3]。采用有限元法进行系统级建模，其中，以金属屑末信号器，安装底座，管路，卡箍几个部分为主，固定螺栓、小微特征等可进行简化。通过对系统级振动的有限元仿真，获得不同材料结构支架对金属屑末信号器振动的影响规律，并提出合理可行的传感器低振动支架方案。对金属屑末信号器-管路系统进行系统级建模[4]，分别在特定的激励和符合发动机转动给予系统载荷谱的激励条件下，研究系统的模态和谐响应特性。通过有限元分析计算后，按实际比例加工试验模拟件，在对管路和金属屑末信号器进行一定程度简化，组装加工后的金属屑末信号器-管路系统安装于振动台上，分别在特定的激励和符合发动机转动给予系统载荷谱的激励条件下，研究系统的振动特性[5]，与有限元计算结果形成对照。
3系统整体结构及尺寸
金属屑末信号器通过法兰接头与两段管路相连，金属屑末信号器自身通过支座固定在机匣上，两端管路各自通过卡箍固定在机匣上，三者并不固定在机匣同一水平面或是同一方向上。金属屑末信号器的振动激励来自于支架和两端管路。相关联的管路部分由管路本体、接头、卡箍和卡箍支架等组成，其中卡箍用于管路与机匣的固定与支撑。主要从材料与结构两个方面进行创新设计，材料方面分别换用高阻尼合金材料支架和聚氨酯材料支架与0Cr18Ni9材料金属屑末信号器支架形成对照，结构方面建立了周期结构金属屑末信号器支架模型，通过仿真分析研究了周期结构支架的减振效果，建立周期结构模型为后续3D打印支架提供基础。金属屑末信号器-管路系统示意图如图1所示，有限元分析中材料参数如表1所示。
图1金属屑末信号器-管路系统示意图
表1材料参数
4基于有限元的金属屑末信号器支架分析
前三种支架采用HexDominantMethod划分网格，网格大小2mm；周期结构支架采用自动方法划分网格，网格大小在周期结构蜂窝结构处细密，其余部分相对稀疏。由于金属屑末信号器支架通过底部两螺栓固定在机匣安装边或工装安装座上，因此在支架底部螺栓孔处施加固定约束，静止状态下系统受重力影响，因此同时对系统整体添加重力作用。计算得到不同材料、结构的系统固有频率如表2所示。
表2系统固有频率(Hz)
因为航空发动机30倍频转速为3000Hz，因此主要研究3000Hz以下振动，这里只考虑前三阶支架的模态振型。2g加速度激励下0-3000Hz几种材料支架的谐响应扫频曲线如图2所示。
图2三种材料谐响应对比及周期结构支架的谐响应扫频曲线
在共振峰频率方面，硬质聚氨酯材料在880Hz处以及图中所示更低300Hz-400Hz之间也有共振峰，有两处共振峰，原材料支座和铁基高阻尼合金材料共振峰都在2500Hz以上。周期结构的共振峰在2500Hz以上，因此聚氨酯材料支架不适用于低频振动激励较多的场合。
在减振效果方面，聚氨酯材料支架与铁基高阻尼合金材料支架都有减振效果，其中硬质聚氨酯材料支架共振峰值较原材料降低20.9%，铁基高阻尼合金材料支架谐响应共振峰峰值较原材料支架降低29.18%。周期结构支架谐响应共振峰峰值较原材料支架降低80.78%。综上所述，铁基高阻尼合金的减振效果和避开低频振动的效果更优。周期结构的仿真也具有十分优良的减振效果。
5基于有限元的金属屑末信号器-管路系统级减振设计研究
金属屑末信号器管路系统分析：针对0Cr18Ni9、高阻尼合金、硬质聚氨酯三种材料支架，金属屑末信号器管路系统在2g加速度激励下，取点位置为金属屑末信号器顶部，0Hz-500Hz谐响应扫频曲线如图4所示。在50Hz低频区域，聚氨酯材料支座系统的谐响应最大，在其它频段铁基高阻尼合金和聚氨酯支座都有一定的减振效果，以275Hz频率为例，铁基高阻尼合金支座减振50.84%，聚氨酯支座减振71.39%。
安装于机匣上的金属屑末信号器管路系统分析：取点位置为金属屑末信号器顶部，对比不同材料的支架，安装于机匣上的金属屑末信号器管路系统在x、y、z三方向上的谐响应曲线如图4所示。在320Hz以及低频部分，高阻尼合金材料支架具有减振30%-40%的效果，在320Hz以上，高阻尼合金材料支架无减振效果还会增大振动响应，航空发动机转速对应的频率一般不超过为300Hz，且发动机较多低频部分振动，因此高阻尼合金材料可以更好的起到针对性的振动抑制作用。
系统谐响应对比安装状态x方向安装状态y方向安装状态z方向
图4系级减振设计研究谐响应对比
6 试验测试
6.1测试方案及步骤
1）将数据测试与分析系统振动分析仪和加速度传感器等仪器设备连接好线路，准备开始测试。
2）对系统信号采集和分析的参数进行设定，测试分析范围为50Hz-3000Hz。
3）进行扫频测试。扫频范围为50Hz-3000Hz，激励幅值为1g，2g，3g。
4）进行定频测试。确定定频激励为300Hz，分别激励幅值设置为1g、2g、3g，测试定频激励下金属屑末信号器顶部、支架面、安装座、Z型管路、管路卡箍处振动响应并进行计算分析传递特性分析。
5）分别改变安装结构为高阻尼合金材料的支架和周期结构支架，重复步骤3）、4）、5）。
根据试验结果，采用0Cr18Ni9不锈钢材料支架的系统在164Hz处，受到2g加速度激励的金属屑末信号器顶部振动响应最大为20.04g。采用高阻尼合金材料支架的系统在172Hz处，受到2g加速度激励的金属屑末信号器顶部振动响应最大为12.28g。采用周期结构支架的系统在132Hz处，受到2g加速度激励的金属屑末信号器顶部振动响应最大为11.02g。同理，220Hz、216Hz、周期结构176Hz，相比于原材料支架，高阻尼合金材料支架响应未下降，周期结构支架响应降低了13.2%。400Hz对应振型金属屑末信号器顶部响应，相比于原材料支架，高阻尼合金材料支架响应下降7.59%，周期结构支架响应降低37.83%。668Hz对应振型金属屑末信号器顶部响应，相比于原材料支架，高阻尼合金材料支架响应下降3.2%，周期结构支架响应上升28.14%。
综上所述，高阻尼合金材料支架在低频部分有较好减振效果，但高频部分效果不明显。周期结构在中低频减振效果好，高频部分减振效果不好。所以对于安装在机匣上的金属屑末信号器管路系统来说，高频振动要求不高的情况下，选用周期结构支架效果可能，减振的频率范围和减振效果都更好。
7结论
高阻尼合金材料支架、聚氨酯材料支架、周期结构支架都有减振效果。但聚氨酯材料共振峰频率较低，不适合低频振动较多的场合使用。周期结构支架减振效果最好，高阻尼合金材料支架减振效果次之，它们的最大共振峰峰值所对应的频率与0Cr18Ni9材料支架相近。金属屑末信号器管路系统级的有限元计算表明，高阻尼合金材料可起到针对性的振动抑制作用。
根据试验结果，可以得出安装于安装座上高阻尼合金材料支架减振效果良好，安装于机匣模拟件上的高阻尼合金材料支架减振效果稍弱。安装于安装座上时周期结构支架无减振效果，且低频振动较多容易在危险转速处引起共振。安装于机匣上时周期结构支架减振效果优于高阻尼合金材料和原材料。
采用高阻尼合金支架时，系统振型和共振峰频率和采用0Cr18Ni9材料支架的系统相近，易于分辨比较。采用周期结构支架可以明显降低固有频率，减振效果明显，可供设计中利用该特性避开容易引起共振的频率并实现低频段的减振。
参考文献
[1]陆文华.航空发动机附件系统[M].国防工业出版社,2017.
[2] 李丽霞,杨继博,吕锐翔,解妙霞.新型环状谐振径向弹性超材料结构低频带隙机理研究[J].西安交通大学学报,2020,54(11):91-97.
[3] 罗泽明,郑丽,王国平.某型航空发动机管路振动特性的有限元研究[J].装备制造技术,2011(02):29-30.
[4] 李晶,王康景,訚耀保,等.周期性脉动流体对飞机液压管路振动特性的影响[J].机床与液压,2014(11):5-8.
[5] 王鸿鑫.飞机液压管路系统振动应力测试研究[J].民用飞机设计与研究,2012(02):32-34.
