某型航空發(fā)動機(jī)振動故障分析

房 靜， 徐建偉， 郭 強(qiáng)， 李甜甜， 武濟(jì)泓

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西 西安 710089）

引言

由于航空發(fā)動機(jī)具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，因此必須將其振動值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證其使用壽命。發(fā)動機(jī)的任何早期機(jī)械故障都可以通過振動值的驟增表現(xiàn)出來，對發(fā)動機(jī)振動情況進(jìn)行監(jiān)視，可以提前發(fā)現(xiàn)故障，并據(jù)此及時采取措施，以防故障擴(kuò)大造成事故，同時達(dá)到延長發(fā)動機(jī)壽命的目的。某型機(jī)在飛行訓(xùn)練中多次出現(xiàn)左側(cè)發(fā)動機(jī)的后振動值偏大故障，極大地增大了地勤人員的工作量，嚴(yán)重時導(dǎo)致任務(wù)中斷。本文針對航空發(fā)動機(jī)振動故障進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)措施，以提高發(fā)動機(jī)工作效率。

1 振動監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

某型發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）由振動傳感器、振動電子部件、發(fā)動機(jī)指示/空勤告警系統(tǒng)等部件組成。前、后安裝面各有一個振動傳感器，當(dāng)傳感器殼體隨發(fā)動機(jī)一起振動時，其內(nèi)部活動系統(tǒng)則保持在相對靜止的位置上，這樣能確切地監(jiān)控發(fā)動機(jī)前、后兩個安裝面的振動值，同時輸出正比于發(fā)動機(jī)機(jī)匣振動速度的電信號。監(jiān)測系統(tǒng)測出的是垂直振動，隨后將電信號送入振動電子部件，經(jīng)過電子部件的放大輸出后傳至發(fā)動機(jī)指示/空勤告警系統(tǒng)。當(dāng)振動速度大于50 mm/s 時，向發(fā)動機(jī)指示/空勤告警系統(tǒng)發(fā)出振動增大告警信號；當(dāng)振動速度大于65 mm/s 時，向發(fā)動機(jī)指示/空勤告警系統(tǒng)發(fā)出危險振動告警信號，提醒飛行人員及時采取措施。前振動測量點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)分隔機(jī)匣上，后振動測量點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)后懸掛接頭上。

圖1 發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)

2 振動故障原因分析及解決方法

發(fā)動機(jī)通過安裝架安裝于飛機(jī)上，結(jié)合發(fā)動機(jī)振動檢測系統(tǒng)原理，可畫出振動監(jiān)測系統(tǒng)故障原因分析圖（見圖2），下面對各個可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行具體分析，并提出具體解決方法。

圖2 振動監(jiān)測系統(tǒng)故障原因分析圖

2.1 發(fā)動機(jī)本體振動

2.1.1 轉(zhuǎn)子不平衡力

機(jī)械振動中轉(zhuǎn)子不平衡力是引起發(fā)動機(jī)振動的最主要原因。發(fā)動機(jī)在進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，轉(zhuǎn)子采用聯(lián)軸器將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子聯(lián)成一體，并采用多個軸承形成支承方案，將轉(zhuǎn)子支承在發(fā)動機(jī)機(jī)匣上。轉(zhuǎn)子上所受的各種載荷都由支承結(jié)構(gòu)承受，并傳到發(fā)動機(jī)機(jī)匣上，最后通過發(fā)動機(jī)安裝架傳遞到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。

若發(fā)動機(jī)裝配時轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均勻、支撐方案設(shè)計(jì)不合理、熱變形、誤差大或轉(zhuǎn)子支承松動，都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡力使整機(jī)發(fā)生振動。這就要求發(fā)動機(jī)廠嚴(yán)格控制生產(chǎn)制造中的誤差、工藝及材料選擇，在設(shè)計(jì)支承方案、選擇聯(lián)軸器時，充分保證轉(zhuǎn)子能可靠定心及周向定位，并能鎖緊不松脫。此外，還要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行整機(jī)平衡測試，以獲得較高的平衡精度。

2.1.2 內(nèi)部氣流失速、喘振

低轉(zhuǎn)速、起動過程、發(fā)動機(jī)加減速過程中，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量不能與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，會導(dǎo)致攻角加大，直至氣流在葉背發(fā)生分離，導(dǎo)致失速，若分離區(qū)擴(kuò)散到整個葉柵通道，此時空氣流量急速下降甚至倒流，即為喘振。喘振會導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片振動，情況嚴(yán)重時甚至?xí)驗(yàn)楦邷囟鴵p壞燃燒室和渦輪葉片。

針對失速和喘振現(xiàn)象，可通過采取在壓氣機(jī)中間級處安裝放氣活門、可調(diào)靜子葉片、進(jìn)口導(dǎo)流葉片、多轉(zhuǎn)子的方法來予以改善。

2.1.3 轉(zhuǎn)子損傷

當(dāng)飛機(jī)從進(jìn)氣道吸入外物，或發(fā)動機(jī)內(nèi)零部件松脫、斷裂時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、輪盤、燃燒室、軸承等結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷甚至掉塊，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動值增大。此外，某型機(jī)進(jìn)氣道中間隔板將來流分為兩股，造成發(fā)動機(jī)周向進(jìn)氣畸變，氣動力的周期性變化導(dǎo)致葉片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，并產(chǎn)生工作轉(zhuǎn)速范圍在K=4、K=6以及K=8、K=12、K=16 等倍頻激勵下的共振趨勢，導(dǎo)致減振凸臺擠壓磨損，形成疲勞裂紋，甚至發(fā)生掉塊，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動值增大。

針對以上問題，飛機(jī)飛行前必須確保發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道干凈無雜物，葉片轉(zhuǎn)動正常，且不能在發(fā)動機(jī)內(nèi)殘留任何工具物品。此外，按照維護(hù)周期定時檢查轉(zhuǎn)子葉片是否有裂紋、卷邊、掉塊等故障，同時檢查軸承間隙與滑油中金屬屑含量是否正常，若不正常需及時予以處理。

2.1.4 零附件共振/諧振

某些發(fā)動機(jī)零附件在受到激振力的作用時，若激振力的頻率與其固有頻率相同或接近時會引起共振。常見的局部共振有機(jī)匣共振、支板共振、葉片共振等，這些振動往往會導(dǎo)致整機(jī)振動故障。

針對零附件共振問題，通?？梢圆捎酶淖兘Y(jié)構(gòu)的剛度和外阻尼、必要時改變激震頻率、盡量避開危險頻率值等方式來避免此類故障。

2.1.5 燃油壓力脈動

發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)中有燃油泵、供油活門、油泵調(diào)節(jié)器、換算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等多個對燃油進(jìn)行增壓、穩(wěn)壓、流量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。當(dāng)出現(xiàn)彈簧斷裂、活門或柱塞卡滯、通油管堵塞、供油量突增突降等問題時，便會導(dǎo)致燃油壓力脈動，發(fā)動機(jī)受力狀態(tài)改變，從而使發(fā)動機(jī)發(fā)生振動。

針對此類故障，需提高附件質(zhì)量，及時檢查并清洗油濾，以避免卡滯、堵塞，同時做好發(fā)動機(jī)的定期維護(hù)工作，在推拉油門桿時盡量在發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)進(jìn)行緩慢操作，避免猛推猛收。

2.2 發(fā)動機(jī)與安裝架發(fā)生共振

對一些后振動值偏大的飛機(jī)后懸掛梁的固有頻率進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)吊掛梁在150 Hz 和170 Hz 頻率點(diǎn)出現(xiàn)峰值，與發(fā)動機(jī)后振動點(diǎn)的頻譜分析儀測量數(shù)據(jù)分析一致，正好對應(yīng)發(fā)動機(jī)85%和95%的轉(zhuǎn)速頻率。由此可認(rèn)為發(fā)動機(jī)在85%額定狀態(tài)和起飛狀態(tài)下的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率與后懸掛梁局部固有頻率接近，這便可能引起后懸掛梁和飛機(jī)左發(fā)的耦合振動。

針對這一故障，在設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)安裝架時，增加設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)的輔助撐桿，其機(jī)理是通過調(diào)整輔助撐桿長度來消除安裝間隙，增加桿系阻尼，從而減小發(fā)動機(jī)振動時后梁的振動幅度。

此外，不改變結(jié)構(gòu)剛度，而是通過增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在后吊掛梁振動幅值大的部位加配重（鉛塊）的方式，也可以降低發(fā)架的固有頻率，從而避免諧振，降低振動量級。但是采用此方法時，由于固定的鉛塊易松動，需重新緊固，而且會增加飛機(jī)重量，因此較少采用。

2.3 振動傳感器及其固定發(fā)生故障

振動傳感器安裝于發(fā)動機(jī)前后安裝面，由于在飛行中自身受到的振動較大，易出現(xiàn)電纜插頭或安裝螺釘松動的情況，從而導(dǎo)致振動值超標(biāo)。這就要求工人在安裝振動傳感器時按規(guī)定力矩?cái)Q緊螺釘、并按要求打好電纜插頭的保險絲，保證振動傳感器固定牢靠。

此外，需對振動傳感器的線圈阻值、參考靈敏度及絕緣電阻進(jìn)行周期性檢查，并對易損件進(jìn)行更換，保證其測量的準(zhǔn)確性。

2.4 振動電子部件發(fā)生故障

當(dāng)出現(xiàn)振動值無輸出的故障時，有可能為振動電子部件內(nèi)部元器件出現(xiàn)了問題。在與機(jī)上電路連接插頭插座安裝牢靠、無斷路的情況下，可用綜合檢查儀對其功能進(jìn)行檢測，檢查振動電子部件內(nèi)部的繼電器、自檢電路中集成運(yùn)算放大器、電位計(jì)、輸出驅(qū)動電路運(yùn)算放大器是否有損壞，若有損壞，更換元器件即可。

3 結(jié)論

1）振動控制方法可分為主動控制與被動控制兩種。主動控制通過消除發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生的因素來進(jìn)行，如采取對發(fā)動機(jī)安裝進(jìn)氣導(dǎo)流葉片、放氣活門、定期檢查并清洗油濾、檢查滑油內(nèi)金屬屑含量等措施；被動控制是通過調(diào)整降低發(fā)動機(jī)振動對飛機(jī)產(chǎn)生的影響來進(jìn)行，如采取安裝減振器、調(diào)整安裝拉桿、給吊掛梁增加配重等方式。

2）了解并掌握發(fā)動機(jī)振動故障模式、注意事項(xiàng)及解決方法，對提早發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)存在的結(jié)構(gòu)故障、保障飛行安全具有一定的參考意義。