航空航天发动机燃烧室作为动力系统的“心脏”，需在高温、高压及复杂气动激励下稳定工作，其机械环境适应性直接关系到发动机的安全性与寿命。振动测试作为燃烧室机械环境试验的核心内容，通过模拟实际工况下的振动载荷，验证结构抗振性能、识别潜在薄弱环节，是确保燃烧室可靠运行的关键手段。本文将围绕振动测试的核心逻辑、技术细节及实践要点展开专业阐述。

振动测试的核心逻辑：匹配燃烧室的实际振动环境

航空发动机燃烧室的振动源主要来自两方面：

一、涡轮叶片旋转产生的气动激励（频率通常在数百至数千赫兹），二、燃料燃烧的脉动压力（频率与燃烧模态相关，如Richtmyer-Meshkov不稳定性导致的低频脉动）。这些振动会使燃烧室结构（如火焰筒、过渡段）承受周期性应力，长期作用下可能引发疲劳裂纹、焊缝松动甚至结构破裂。

振动测试的核心目标是“还原”这些实际振动环境——通过试验设备模拟激励频率、振幅及持续时间，验证燃烧室设计是否满足“振动强度不超过材料疲劳极限”“固有频率避开激励频率”的要求。例如，某型涡扇发动机燃烧室的火焰筒，设计时需确保其固有频率远离涡轮叶片的气动激励频率（如800Hz），振动测试则需验证这一设计目标是否达成。

此外，振动测试还需考虑“耦合效应”：燃烧室工作时的高温（可达1500℃以上）会导致结构热膨胀，改变其模态参数（如固有频率降低5%-10%）。因此，测试中需同步模拟热环境，避免因温度差异导致测试结果偏差。

振动测试的关键参数：量化振动的“强度”与“特征”

振动测试的核心参数包括三类：加速度（反映振动的强度，单位m/s²）、频率（反映振动的来源，单位Hz）、位移（反映结构的变形程度，单位mm）。其中，加速度是最常用的参数——燃烧室的振动加速度通常在10-100m/s²之间（最大推力工况下可达200m/s²以上），需通过传感器精准采集。

频率参数的意义在于“溯源”：例如，若测试中发现800Hz的高频振动，可对应涡轮叶片的气动激励；若出现100Hz以下的低频振动，则可能是燃烧脉动或结构松动导致。位移参数主要用于评估结构的变形风险——如火焰筒喉部的位移超过0.5mm，可能导致与涡轮叶片的间隙减小，引发摩擦故障。

需注意的是，不同参数的测试要求不同：加速度用高灵敏度的压电式传感器（响应频率可达10kHz以上），位移用激光测振仪（非接触式，避免热环境影响），频率则通过数据采集系统的FFT分析得到。

测试系统组成：从传感器到分析软件的全链路设计

振动测试系统主要由三部分构成：传感器、数据采集器及分析软件。传感器是“前端感知”核心——压电式加速度传感器（如PCB公司的352A24型）适用于高频（>100Hz）、高加速度（>100m/s²）场景，其原理是通过压电晶体将振动加速度转换为电荷信号；应变式传感器则适用于低频（<100Hz）或静态变形测试，通过电阻变化反映应力状态。

数据采集器需满足“高采样率”与“多通道”要求——燃烧室测试通常需同时监测8-16个部位（如火焰筒喉部、过渡段焊缝），采样率需达到振动频率的5-10倍（如10kHz振动需50kHz采样率），以避免信号混叠。常见设备如NI的cDAQ-9178系列，支持同步采样与实时数据传输。

分析软件是“数据解读”的关键——MATLAB、LabVIEW等工具可实现时域（波形峰值、有效值）与频域（FFT频谱、模态分析）分析。例如，通过LabVIEW的实时监测模块，可在试验中同步查看火焰筒喉部的加速度波形，若峰值超过设计阈值（如150m/s²），立即停止试验排查问题。

传感器选型与安装：解决高温环境的“感知难题”

燃烧室的高温环境（火焰筒表面温度可达1200℃）是传感器选型的核心挑战。传统压电传感器的工作温度上限约为200℃，需通过“隔热设计”扩展适用范围——例如，在传感器与被测件之间加装陶瓷隔热垫（厚度2-3mm），或采用高温压电材料（如铌酸锂）制作的传感器（工作温度可达500℃以上）。

安装位置需聚焦“结构薄弱点”：火焰筒的喉部（承受最高温度与气动载荷）、过渡段的环向焊缝（应力集中处）、燃油喷嘴的固定座（易因振动松动）是重点监测部位。安装方式需兼顾稳定性与热兼容性——螺接方式（M3螺钉）适用于刚性结构，但需在螺纹处涂抹高温抗咬合剂（如Permatex 767）；胶粘方式（如3M的Scotch-Weld 2216）适用于曲面或薄壁结构，但需提前对被测表面喷砂处理（粗糙度Ra=1.6μm），确保粘结强度。

需特别注意“热膨胀匹配”：传感器与被测件的热膨胀系数需接近（如Inconel合金传感器匹配Inconel 625火焰筒），避免温度变化导致传感器松动或被测件变形。例如，某型燃烧室试验中，因传感器采用铝合金外壳（热膨胀系数23×10^-6/℃），而火焰筒为Inconel 625（13×10^-6/℃），导致试验中传感器脱落，后续更换同材质传感器后问题解决。

工况模拟：同步复现“热-振”耦合环境

燃烧室的振动特性与工况强相关——怠速工况（低转速、低燃烧压力）下，振动以低频（<100Hz）为主；最大推力工况（高转速、高燃烧压力）下，高频（>500Hz）振动占比增加。因此，振动测试需覆盖“怠速→巡航→最大推力”的全工况，每个工况持续时间需满足材料疲劳试验要求（如GJB 150A规定，随机振动试验持续时间不少于30分钟）。

热环境的同步模拟是关键——燃烧室工作时的热膨胀会改变结构的固有频率（如某型火焰筒在1000℃时固有频率从1200Hz降至1100Hz），若试验中未加热，可能误判“共振风险”。常用加热方式包括感应加热（通过电磁感应使火焰筒自身发热，温度控制精度±10℃）、燃烧加热器（用天然气燃烧产生高温气流，模拟实际燃烧环境）。

工况模拟需遵循“循序渐进”原则：先进行常温下的模态测试（获取固有频率基准），再逐步升高温度至工作温度，同步施加振动载荷，最终验证“热-振”耦合下的结构性能。

数据处理：从“信号”到“故障”的精准解读

振动数据处理的核心是“区分正常与异常”。时域分析中，有效值（RMS）反映振动的平均强度——若某部位的RMS加速度超过设计值（如50m/s²），说明结构承受的疲劳载荷过大；峰值（Peak）则反映冲击性振动（如零件松动导致的撞击），若峰值超过RMS的3倍，需重点排查。

频域分析通过FFT转换将时域信号转换为频谱图，可识别“共振频率”——例如，某型燃烧室试验中，频谱图在850Hz处出现明显峰值，对应涡轮叶片的气动激励频率（800Hz），说明结构固有频率因热膨胀降低至850Hz，需调整火焰筒的壁厚（增加0.5mm）以提高固有频率至900Hz，避开激励频率。

模态分析是“定位薄弱环节”的关键——通过锤击试验或激振器激励，获取结构的固有频率与振型。例如，某火焰筒的振型显示，喉部区域的变形最大（振型幅值是其他部位的2倍），说明该区域是疲劳裂纹的高发区，需优化结构设计（如增加加强筋）。

干扰抑制：解决测试中的“虚假信号”问题

振动测试中常见的干扰包括电磁干扰（来自试验台的电机、电源线）、热噪声（传感器自身的温度漂移）、机械干扰（试验台的振动传递）。电磁干扰可通过“接地”与“屏蔽”解决：传感器电缆采用屏蔽线（如RG58同轴电缆），数据采集器接地电阻小于1Ω，避免信号被电磁辐射干扰。

热噪声的抑制需选用“高温稳定”的传感器——例如，采用二氧化硅（SiO2）作为压电材料的传感器，温度漂移小于0.1%/℃，远优于传统压电陶瓷（0.5%/℃）。此外，试验前需对传感器进行“温度校准”：在恒温箱中加热至工作温度，记录输出信号的漂移值，测试中通过软件补偿。

机械干扰的解决需优化试验台设计——采用隔振地基（如橡胶隔振垫+混凝土块），将试验台的振动传递率降低至10%以下；若仍有干扰，可在传感器与被测件之间加装“阻尼垫”（如丁腈橡胶），吸收试验台的低频振动。