航空发动机叶片加工变形控制技术探讨
经留洋 范秀杰 刘涛
摘 要：通过对叶片静频测试方法的研究，分别从共振法和频谱分析法进行分析，考虑多个因素的影响，对实际静频测试工作具有重要意义。
关键词：叶片；静频；共振法；频谱分析法
发动机研制生产和使用过程表明，叶片断裂故障在发动机故障中占有相当大比例。而叶片断裂故障大多是由于发动机工作时，受到离心载荷、气动载荷及热负荷综合作用所致，但其中对叶片寿命影响最大的就是由各种外力造成的振动失效，所以在叶片装机前对其进行固有频率测试，研究叶片振动特性是十分必要的。
1 静频测试的意义
叶片频率测试包括叶片静频测试和动频测试，而我们通常所说的叶片频率测试泛指叶片静频测试。所谓静频是指叶片在非旋转状态下的自振频率。该频率所对应的振动弹性线称为振型。动频则是指叶片旋转状态下的自振频率。
在发动机实际运行中，由于叶片和盘的连接刚性以及离心力、温度、气动力的影响，导致叶片的自振频率（实际动频）与静止状态的自振频率（静频）存在很大差异。在发动机运转中常会发生叶片共振故障，对叶片调频、控制叶片频率分散度，是防止叶片共振故障的有效措施之一。为了防止叶片共振，很难根据叶片在台架试车中实际测得动频进行调频，唯一可行的办法则是通过调整叶片的静频来满足实际工作时对叶片频率特性和分散度的要求。也就是说，只能通过测量和控制叶片静频来反映叶片实际动频的要求。显然，静频试验是必不可少的。
2 叶片静频测试方法
叶片静频测试有共振法和频谱分析法。
2.1 共振法
共振法是叶片静频测试最广泛采用的测试技术。它是基于共振原理，即叶片在周期性激振力作用下产生强迫振动，当激振力的频率等于叶片自振频率时，叶片的振幅急剧增加，通过测量系统可以准确地判断叶片的共振状态，通过输入的激振力的频率就能知道叶片的自振频率，即叶片静频。常用的共振测试方法有振动台共振法，涡流激振器测试法及压电晶体片测试法等。
2.1.1 振动台共振法
电磁振动台是一种成套设备，一般由振动台体和操纵控制台两大部分组成。振动台属于接触激振器，零部件通过夹具固定在振动台上，并与振动台一起振动。电磁振动台适用范围较广，是当前较为常用的一种激振设备。一些发动机生产厂还将电磁振动台定为叶片测固有频率的标准设备。
2.1.2 压电晶体片测试法
压电晶体片具有很重要的物理特性，称为压电性。当晶体片在一定方向上有机械应力作用时表面会出现符号相反的电荷，形成电场。改变力的大小和方向，表面电场也相应变化，除去外力，电场立即消失，这种现象称为顺压电效应。反之，如果在压电晶体上施加交变电场，则压电体即产生交变的机械应变，称为逆压电效应。
2.1.3 涡流激振器测试法
电涡流激振器是一种非接触式激振器，在零部件固有频率测试中使用方便、灵活，没有附加质量、刚度影响、测试精度高。涡流激振器在高频使用是有限制的。提高频率时，电流密度减小，激振减弱，对测频是不利的。
2.2 频谱分析法
频谱分析法是通过力锤激励叶片，借助数采系统的快速傅氏变换（FFT），迅速测出叶片的振动特性，经过数据处理得到振动参数。
对于实际的发动机零部件，一般属于线弹性结构。可用有限元法将其划分为N个具有粘性阻尼的单元体，传递函数频谱分析法是通过对叶片输入的激振力信号及叶片振动输出的振动信号进行传递函数分析，得到叶片静频值。自谱分析法采用不带力传感器的力锤激励叶片，使叶片振动，通过拾振传感器采集叶片振动信号经过自谱分析得到叶片的静频数值。
3 叶片静频测试准确度的影响因素
3.1 夹具系统影响
在测试试验过程中夹具系统对静频测试结果影响面很多，大致有以下几点。（1）叶片与夹具配合状况不良的影响。如配合表面不干净，配合面不能始终保持相对位置（包括夹持部分）不变会对测试结果造成较大影响。（2）叶片加紧方式不同的影响。如枞树型榫头的叶片，带有销孔榫头的叶片，夹紧方式不同，也会影响叶片测试频率。（3）夹紧力的大小对叶片静频测试的影响。通常当整个测试系统不变时，叶片根部夹紧力逐渐增大，叶片静频测试值随之增高。当夹紧力增大到一定值后，再加大夾紧力，叶片静频测试值保持不变。（4）夹具系统基座对叶片静频值的影响。夹具和振动台面的刚性要足够大，有时由于夹具与台面接触不良，连接不牢固或夹具与台面刚性不足而影响测频精度。夹具结构、夹紧方式的合理性，夹块的加工精度及磨损裂纹均影响测频的精度。夹具与叶片的质量比应大于30。
3.2 激振方式影响
如接触式的激振器与非接触式的电磁振动台，以及上述的各种激振方式对叶片静频测试都有影响。因为对叶片有无附加质量、附加支点及其大小都会影响叶片静频测量值。事实上，激振方式问题往往还与夹具基座系统相联系。同样的叶片夹具基座系统因激振方式不同对叶片频率值都会产生影响。
3.3 拾振系统影响
拾振系统（传感器及测振仪）的幅频特性不好或灵敏度不够，不能准确地判断叶片的共振状态，影响测频精度。拾振器固定不牢也会影响到测试结果。
3.4 人员操作影响
人员操作失误，不按要求运行，人为误差都会对静频测试结果产生很大的影响，在测试过程中要坚决避免。
4 结束语
在航空发动机生产研制中，精准地测试出叶片频率是十分重要的，因而应有针对性地编写叶片静频测试规程，以保证在叶片静频测试试验中可以严格按照标准文件进行，从而避免影响测试准确度的因素出现。
