陳 智 黃尚友
(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,西安 710089)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的核心動(dòng)力單元,其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)飛行安全具有決定性影響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)現(xiàn)象無(wú)法避免。事實(shí)上,大量數(shù)據(jù)表明,超過(guò)90%的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題與振動(dòng)有著直接或間接的關(guān)聯(lián)。為了確保航空安全,對(duì)振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控尤為重要?,F(xiàn)代飛機(jī)已經(jīng)裝備了高級(jí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),允許飛行員通過(guò)綜合顯示界面實(shí)時(shí)查看發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)。為了進(jìn)一步提升飛行安全性,飛機(jī)上還設(shè)有振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)值超過(guò)安全閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)告警,確保飛行員能夠迅速做出相應(yīng)決策,從而最大限度確保飛行安全[1-2]。
渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管等組成,引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因通??梢苑殖蓛煞N情況。一是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)的規(guī)律性振源。渦輪和壓氣機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)件,是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要振源,振動(dòng)通過(guò)軸承和發(fā)動(dòng)機(jī)承力機(jī)構(gòu)傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī),引起發(fā)動(dòng)機(jī)的整體振動(dòng)。承力機(jī)匣的振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子損傷后的不平衡引起的激振力造成,同時(shí)由于承力機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳力結(jié)構(gòu),其他振源,如風(fēng)扇、葉片、軸承、氣流和噪聲等引起的振動(dòng)也會(huì)通過(guò)承力機(jī)匣傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼。二是與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的非規(guī)律性激振力。此類振源較復(fù)雜,出現(xiàn)的形式和概率也不一樣,如壓氣機(jī)喘振、振蕩燃燒等。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)安裝至飛機(jī)后,安裝架與發(fā)動(dòng)機(jī)本體頻率接近時(shí)也易放大振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振。
在使用中,為監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值量級(jí),一般會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)前后安裝面上分別安裝振動(dòng)傳感器,以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在垂直方向的振動(dòng)速度。垂直方向的振動(dòng)往往與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)、負(fù)載變化、結(jié)構(gòu)健康等因素密切相關(guān),因此對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,防止出現(xiàn)潛在的故障。振動(dòng)傳感器一般利用壓電效應(yīng)或其他傳感原理,將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這些電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后,可以為操作員或維護(hù)人員提供有關(guān)振動(dòng)大小、頻率和模式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),幫助他們判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。
運(yùn)轉(zhuǎn)良好的發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),其幾何中心、質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心基本重合。但是,在轉(zhuǎn)子制造和裝配過(guò)程中不可避免會(huì)存在誤差,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)受到離心力的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。若該振動(dòng)量值在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi),則不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作及使用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子意外損傷時(shí),會(huì)破壞其平衡狀態(tài),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值異常增大,不僅會(huì)加速其他部件的磨損,還可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障。因此,當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值增大異常時(shí),應(yīng)立即停機(jī)并進(jìn)行詳細(xì)檢查,確定振動(dòng)的具體原因??赡艿脑虬ㄞD(zhuǎn)子裂紋、變形、磨損或其他部件的干擾[3]。
排除發(fā)動(dòng)機(jī)本體部件損傷等引發(fā)的振動(dòng)值增大問(wèn)題后,則需要考慮安裝因素導(dǎo)致的振動(dòng)問(wèn)題。由于結(jié)構(gòu)布局形式受限,一些飛機(jī)采用機(jī)身側(cè)壁懸壁吊掛梁的形式安裝發(fā)動(dòng)機(jī),如圖1 所示。在這種安裝形式的工程應(yīng)用中,由于安裝架與發(fā)動(dòng)機(jī)本體頻率接近,容易發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值突變?cè)龃蟮膯?wèn)題。
圖1 懸壁吊掛梁形式發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架
1.2.1 振動(dòng)測(cè)試
為確保飛機(jī)的安全性和乘坐的舒適性,對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)部件進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試成為必不可少的工作。文章詳細(xì)論述3 種振動(dòng)測(cè)試的內(nèi)容及方法。
第一,地面開(kāi)車情況下后梁振動(dòng)測(cè)試。在飛機(jī)的地面運(yùn)行階段,發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)情況非常重要。后梁作為發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu),其振動(dòng)狀態(tài)直接影響飛機(jī)的穩(wěn)定性和乘客的舒適感。測(cè)試時(shí),將振動(dòng)傳感器安裝在后梁的關(guān)鍵位置,如連接處、支撐點(diǎn)等。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),讓其在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集振動(dòng)數(shù)據(jù),并進(jìn)行頻譜分析,找出顯著的振動(dòng)頻率,分析振動(dòng)原因是否與發(fā)動(dòng)機(jī)的某些特定工況相關(guān)。
第二,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架是發(fā)動(dòng)機(jī)的載體,其振動(dòng)狀態(tài)直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況。因此,對(duì)臺(tái)架的振動(dòng)測(cè)試非常必要。測(cè)試前,在臺(tái)架的關(guān)鍵部位安裝振動(dòng)傳感器。通過(guò)專用的測(cè)試臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況,如起飛、巡航、降落等。收集振動(dòng)數(shù)據(jù)后,對(duì)比不同工況下的振動(dòng)情況,找出可能的振動(dòng)源,如不平衡的旋轉(zhuǎn)部件、損壞的零件等。
第三,后吊梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試。后吊梁作為發(fā)動(dòng)機(jī)的吊掛部分,其結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)飛機(jī)的穩(wěn)定性有很大影響。測(cè)試時(shí),在后吊梁的各部位安裝振動(dòng)傳感器。使用外部激勵(lì)設(shè)備,如沖擊錘、電磁激振器等,對(duì)后吊梁進(jìn)行激振。通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù),并進(jìn)行模態(tài)分析,找出后吊梁的固有頻率和振型。分析數(shù)據(jù),找出可能影響后吊梁振動(dòng)的因素,如連接方式、支撐結(jié)構(gòu)的剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)輸入等[4-5]。
1.2.2 測(cè)試結(jié)果
第一,地面開(kāi)車情況下后梁振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。根據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)地面開(kāi)車情況下后吊梁振動(dòng)測(cè)試結(jié)果,得出振動(dòng)頻率譜。后吊梁振動(dòng)可看作后吊梁系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)輸入的響應(yīng)。在一個(gè)多輸入系統(tǒng)中,系統(tǒng)的響應(yīng)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)所有輸入的響應(yīng)。響應(yīng)的頻率是輸入信號(hào)的頻率,如果輸入的頻率與系統(tǒng)頻率接近,則該輸入將會(huì)被放大。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)輸入至少在82 Hz、179 Hz 有分布,且后吊梁系統(tǒng)的某一個(gè)固有頻率與這兩個(gè)值相近。
第二,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知,500 Hz 頻率內(nèi),在0.7 倍額定、0.9 倍額定以及額定狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)在68 Hz、103 Hz 以及178 Hz 左右有局部峰值,在起飛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)在81 Hz、181 Hz 有局部峰值。該頻率與裝機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果吻合。由此確定,在后吊梁連接位置有80 Hz、180 Hz 左右的垂向或者水平方向激勵(lì)存在。
第三,后吊梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。后吊梁模態(tài)分析和地面振動(dòng)模態(tài)測(cè)試結(jié)果表明,后吊梁固有頻率為150 ~180 Hz,一階垂向彎曲頻率在176 Hz 左右。
1.2.3 原因分析
發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)作是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,涉及許多旋轉(zhuǎn)和往復(fù)部件的相互作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動(dòng)是常態(tài),但當(dāng)振動(dòng)與某個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率相匹配時(shí),就可能導(dǎo)致共振現(xiàn)象。共振是指外部頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近或相同時(shí),結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度顯著增加的現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)在80 Hz 和180 Hz 附近有明顯的振動(dòng)峰值,而且180 Hz 與后吊梁170 Hz 時(shí)的整體模態(tài)固有頻率接近,即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)能量可能會(huì)被后吊梁吸收,并在后吊梁中放大,導(dǎo)致更大的振動(dòng)幅值。振動(dòng)幅度的加大不僅可能損害后吊梁,還可能影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。
在實(shí)際應(yīng)用中,共振現(xiàn)象可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、零件損壞甚至機(jī)械故障。由于發(fā)動(dòng)機(jī)和后吊梁之間的振動(dòng)幅值增大,長(zhǎng)時(shí)間的共振作用可能導(dǎo)致連接部位出現(xiàn)螺絲松動(dòng)、焊點(diǎn)疲勞、材料疲勞裂紋等問(wèn)題。這不僅會(huì)增加維護(hù)成本,還可能對(duì)飛行員和乘客的安全帶來(lái)潛在威脅。更為關(guān)鍵的是,這種共振現(xiàn)象并不是持續(xù)存在的,它會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變化而變化。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于某些特定工況時(shí),共振現(xiàn)象尤為明顯;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)改變,與后吊梁固有頻率相差較大時(shí),共振現(xiàn)象就會(huì)減弱或消失。這使得共振現(xiàn)象難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn),為飛行帶來(lái)了安全隱患。
發(fā)動(dòng)機(jī)在振動(dòng)偏大的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,所帶來(lái)的次生危害不可忽視。振動(dòng)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種破壞性力量,長(zhǎng)期的振動(dòng)暴露會(huì)導(dǎo)致機(jī)器零件過(guò)早磨損和失效。首先,軸承作為支撐轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件,是最先受到振動(dòng)影響的部分。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)部的滾動(dòng)元件和滾道之間產(chǎn)生不正常的接觸應(yīng)力,從而加速磨損。而軸承的磨損會(huì)產(chǎn)生間隙,進(jìn)而加大系統(tǒng)的振動(dòng),形成一個(gè)惡性循環(huán)。其次,發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和葉片都工作在高速旋轉(zhuǎn)的條件下,每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期都承受很大的應(yīng)力。持續(xù)的振動(dòng)可能導(dǎo)致材料疲勞,使得轉(zhuǎn)子和葉片出現(xiàn)微小的裂紋。一旦形成裂紋,在連續(xù)的應(yīng)力和振動(dòng)作用下裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展,降低部件的整體強(qiáng)度。最后,如果葉片出現(xiàn)斷裂或掉塊,斷裂的材料在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)撞擊其他葉片或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),不僅會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的機(jī)械損傷,還可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部嚴(yán)重失效,如轉(zhuǎn)子卡滯等,進(jìn)而威脅飛行安全。
2.2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)
發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行依賴各部分的穩(wěn)定協(xié)同工作。但是由于各種原因,如部件的磨損、失衡、松動(dòng)等,發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生不正常的振動(dòng)。這些振動(dòng)如果不加以控制和管理,可能會(huì)導(dǎo)致部件的損壞和效率的下降,甚至造成整個(gè)設(shè)備的故障。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理這些潛在的風(fēng)險(xiǎn),許多發(fā)動(dòng)機(jī)都安裝振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)。
振動(dòng)傳感器能夠檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)量級(jí),并將其與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的振動(dòng)值接近或達(dá)到預(yù)設(shè)的告警值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出振動(dòng)增大注意級(jí)告警信息。此預(yù)警機(jī)制能夠提醒操作人員或飛行員注意發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài),并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)振動(dòng)值超過(guò)某一危險(xiǎn)閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)振動(dòng)警告級(jí)告警信息。這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)入不安全的工作狀態(tài),需要立即采取措施,如減少發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)或進(jìn)行應(yīng)急降落。實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信息不僅可以幫助飛行員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和管理風(fēng)險(xiǎn),還可以為他們提供決策依據(jù),確保飛機(jī)的安全運(yùn)行??傊?,振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中起到了至關(guān)重要的作用,保障了設(shè)備和人員的安全。
2.2.2 軸承間隙檢查
軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件,其狀態(tài)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用,軸承可能會(huì)出現(xiàn)磨損,導(dǎo)致其間隙發(fā)生變化。如果不及時(shí)檢查和維護(hù),可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的不正常振動(dòng)。定期進(jìn)行軸承間隙檢查是預(yù)防這種情況的有效手段。測(cè)量并監(jiān)測(cè)軸承間隙的變化,可以提前了解軸承的磨損狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸承間隙超出正常范圍時(shí),可以采取相應(yīng)的措施,如更換軸承或進(jìn)行維修,從而避免振動(dòng)引起的發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。
2.2.3 潤(rùn)滑油油樣監(jiān)測(cè)
潤(rùn)滑油在發(fā)動(dòng)機(jī)中起到潤(rùn)滑和冷卻的雙重作用,是確保發(fā)動(dòng)機(jī)部件正常工作的關(guān)鍵。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,部件的磨損會(huì)導(dǎo)致金屬微粒進(jìn)入潤(rùn)滑油。因此,對(duì)潤(rùn)滑油油樣進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)成為預(yù)測(cè)和評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的關(guān)鍵步驟。檢查潤(rùn)滑油油樣,可以檢測(cè)到油中的鐵、銅等金屬微粒。這些金屬微粒的數(shù)量和種類可以為相關(guān)工作人員提供發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部磨損程度的寶貴信息。例如,銅的含量增加可能表示軸承的磨損,而鐵含量的增加則可能表示氣缸或活塞環(huán)的磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)的不正常振動(dòng)可能會(huì)加速軸承和其他運(yùn)動(dòng)部件的磨損。通過(guò)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中的金屬微粒,可以提前發(fā)現(xiàn)加速磨損的跡象,從而采取預(yù)防措施,如調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)或更換磨損部件,從而避免進(jìn)一步的損壞。
與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)的規(guī)律性振源引起的振動(dòng),在外場(chǎng)無(wú)法通過(guò)調(diào)整的方法進(jìn)行消除。針對(duì)工程應(yīng)用中由安裝結(jié)構(gòu)共振造成的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值增大問(wèn)題,可采用3 種方法解決。第一,提高后吊掛梁固有頻率。由于需要提高結(jié)構(gòu)剛度質(zhì)量比,在現(xiàn)有安裝結(jié)構(gòu)大布局不改變的前提下,很難實(shí)現(xiàn)。第二,降低后吊掛梁固有頻率??梢栽诮Y(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)幅值較大的部位增加配重。第三,增加后吊掛梁結(jié)構(gòu)阻尼或改變結(jié)構(gòu)邊界條件??梢园惭b可調(diào)節(jié)的輔助拉桿,增加阻尼和改變相關(guān)結(jié)構(gòu)邊界條件,以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的。
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題一直是航空工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值增大有多種原因,而由安裝因素所引發(fā)的振動(dòng)增大問(wèn)題尤為關(guān)鍵。錯(cuò)誤的安裝方式或者不精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)與其安裝結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生共振,從而增加振動(dòng)值。這種現(xiàn)象不僅影響飛機(jī)的正常運(yùn)行,還可能給飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)隱患。因此,必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)組件的設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程進(jìn)行全面、細(xì)致的審查和優(yōu)化,以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,減少因振動(dòng)造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)。