焦旭東

摘要：我國的航空事業(yè)正處于蓬勃發(fā)展時期，為了滿足現(xiàn)代化航空航天事業(yè)的發(fā)展需求，必須注重對航空發(fā)動機(jī)的研制工作。在進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)的研制時，振動是普遍存在且較為棘手的問題，且在發(fā)動機(jī)的故障中振動是最為關(guān)鍵的影響因素。在研制過程中如果未將振動問題控制到位，不僅拖慢研制進(jìn)度還會對整體質(zhì)量造成影響。在此背景下，文章則將航空發(fā)動機(jī)的研制作為基本背景，圍繞其振動激勵展開分析，并探尋出轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時所表現(xiàn)出的信號特征，經(jīng)本文的探討，以期給相關(guān)工程人員提供一些可行的參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);振動機(jī)理;轉(zhuǎn)子故障;振動信號;特征

中圖分類號：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922{2019）10-0123-03

在整個航空飛機(jī)中，發(fā)動機(jī)是最為核心的一大組件，它可以發(fā)揮出“心臟”的作用。這是一種具有高速旋轉(zhuǎn)特性的流體機(jī)械裝置，長期以來都存在振動問題。航空發(fā)動機(jī)的內(nèi)部組成極為復(fù)雜，其中的零部件種類較多，運(yùn)行工況也受到諸多因素的影響，因此探尋引發(fā)振動的機(jī)理并非易事。此外，伴隨著發(fā)動機(jī)類型的差異化，其產(chǎn)生的振動特性也隨之發(fā)生變化，即便是同—型號的發(fā)動機(jī)，不同批次的產(chǎn)業(yè)也會存在這一問題。

1航空發(fā)動機(jī)振動問題概述

航空發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中極容易形成激振力，它與轉(zhuǎn)子的不平衡有著密切的關(guān)聯(lián)，其中轉(zhuǎn)子動平衡超差與軸承會對其產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在新機(jī)研制與試驗(yàn)過程中，如果工藝或者裝配方法存在偏差，也會引發(fā)發(fā)動機(jī)運(yùn)行振動現(xiàn)象。對于多數(shù)的定型發(fā)動機(jī)而言，在制造過程中已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)子平衡操作，但受后續(xù)運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的影響，極容易出現(xiàn)磨損或者是腐蝕問題，因此也會加劇振動現(xiàn)象。關(guān)于航空發(fā)動機(jī)的具體示意圖，如圖1所示。

2航空發(fā)動機(jī)振動機(jī)理

發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此要想對其性能進(jìn)行分析并非易事，在展開有關(guān)于發(fā)動機(jī)的振動研究時，通常會對其進(jìn)行簡化處理，使其變?yōu)橐粋€理想化的振動系統(tǒng)。對此，文章對某航空的禍扇發(fā)動機(jī)展開分析，其中的禍輪和壓氣機(jī)為一體化裝置，它是最為主要的振源，當(dāng)產(chǎn)生振動后經(jīng)由軸承進(jìn)一步傳遞給發(fā)動機(jī)，進(jìn)而帶來發(fā)動機(jī)的整體振動現(xiàn)象。

2.1發(fā)動機(jī)整機(jī)振動

關(guān)于發(fā)動機(jī)的主框架，其以承力機(jī)匣為主，加之壓氣機(jī)靜子、渦輪靜子以及各類型機(jī)閘子所構(gòu)成。以高壓壓氣機(jī)為基礎(chǔ)，在長軸的作用下實(shí)現(xiàn)了與高壓渦輪的連接，由此得到了高壓轉(zhuǎn)子，而低壓轉(zhuǎn)子的構(gòu)成與之具有相似性。上述所提及的兩大類轉(zhuǎn)子在承立機(jī)閘的輔助下可以穩(wěn)定安裝在發(fā)動機(jī)中，考慮到低壓轉(zhuǎn)子的剛性要求，對空心的高壓軸做了進(jìn)一步的優(yōu)化，即增設(shè)了一個中介軸承。

上述提出的為簡化模型，承立機(jī)閘可以被理解為是兩大剛性元件的組合體，各類型附件也與發(fā)動機(jī)相連接。受轉(zhuǎn)子不平衡的影響，則會帶來承力機(jī)閘振動現(xiàn)象，此外附件的振動也會進(jìn)一步加劇發(fā)動機(jī)的振動幅度。

2.2轉(zhuǎn)子振動

轉(zhuǎn)子模型類型豐富，其中以單盤無重軸模型最為典型，它也是最為簡單的一種，質(zhì)量為m的盤將會支撐在無質(zhì)量的軸上。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于完全平衡狀態(tài)時，其幾何中心、旋轉(zhuǎn)中心以及質(zhì)量中心均重合在一起。

當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)行工作中要想達(dá)到這種理想狀態(tài)并非易事，在轉(zhuǎn)子制造時往往會存在一定的誤差，由此引發(fā)了轉(zhuǎn)子不平衡問題，此時各重心并未完全重復(fù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)時受離心力的影響則會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。

2.3軸承振動

發(fā)動機(jī)支撐結(jié)構(gòu)必不可少，其內(nèi)部安裝有軸承裝置。軸承可以被視為是一個振源，之所以會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，一方面與制造誤差有關(guān)，另一方面則受到了各類故障的影響。

當(dāng)軸承處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，滾珠則會沿著特定的滾道而持續(xù)滾動，盡管軸承加工與裝配都不存在誤差，但在實(shí)際運(yùn)行過程中滾珠的受力存在差異，在上述因素的影響下則容易出現(xiàn)軸承振動現(xiàn)象。與此同時，加工誤差也是引發(fā)軸承振動的重要因素，其中影響最為明顯的有表面波紋度以及裝配誤差。伴隨著軸承的持續(xù)運(yùn)行，在此過程中也有諸多不確定因素，因此激振力的隨機(jī)性較強(qiáng)，其頻率組成情況較為復(fù)雜，所以這也加大了隨機(jī)振動現(xiàn)象。關(guān)于軸承的具體構(gòu)造，如圖2所示。

3轉(zhuǎn)子故障振動信號特征

轉(zhuǎn)子是構(gòu)成發(fā)動機(jī)最為核心的部件，它也是發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動現(xiàn)象的關(guān)鍵性振源。在展開發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)時，應(yīng)加大力度做好對轉(zhuǎn)子振動的監(jiān)控工作，從而探尋出轉(zhuǎn)子故障的振動信號特征。

3.1轉(zhuǎn)子不平衡

在各類型發(fā)動機(jī)故障中，最為普遍的則是轉(zhuǎn)子不平衡，它與材質(zhì)的不均勻、結(jié)構(gòu)的不對稱等都密切相關(guān)，在各種因素的影響下則會加大轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心情況。盡管對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動平衡處理，但受轉(zhuǎn)速低、平衡精度差的影響，在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也容易形成不平衡量，一旦出現(xiàn)了較大不平衡轉(zhuǎn)子，則會形成離心力并隨之帶來振動。

受不平衡的影響會隨之產(chǎn)生振動，其存在諸多特征，具體有：發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中振動幅度較大;相較于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率而言，實(shí)際振動頻率與之相同，此時基頻幅值明顯超過了分頻幅值;轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速以下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，伴隨著轉(zhuǎn)速的在增加則會進(jìn)一步加大振動幅值;軸心軌跡以橢圓形為主。

3.2轉(zhuǎn)子碰摩

除了上述所提及的航空發(fā)動機(jī)故障外，諸如轉(zhuǎn)子碰摩也是極為普遍的故障，最為典型的則是轉(zhuǎn)子與機(jī)閘動靜件的碰摩現(xiàn)象，雖然外轉(zhuǎn)子也存在這一問題，但其出現(xiàn)的頻率相對較低。受轉(zhuǎn)子碰摩的影響，將會帶來明顯的整機(jī)振動現(xiàn)象，在長期的影響下發(fā)動機(jī)的效率隨之降低，同時也容易出現(xiàn)較大的形變，嚴(yán)重時還會引發(fā)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂現(xiàn)象。

如果出現(xiàn)了碰摩故障，那么所帶來的振動特征主要有：如果高階頻譜的成分增多，摩擦現(xiàn)象則更為明顯;振動幅值會出現(xiàn)明顯的跳躍現(xiàn)象，此外振動相位波動也較為明顯。

3.3轉(zhuǎn)子軸系不對中

在聯(lián)軸器的作用下實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的連接，進(jìn)一步構(gòu)成完整的軸系，起到傳遞運(yùn)動與轉(zhuǎn)矩的作用。如果出現(xiàn)連軸器安裝精度不足的問題，或者是軸承中心線偏斜等，這些都會對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)造成影響，最終會帶來轉(zhuǎn)子不對中的問題。

對轉(zhuǎn)子軸系不對中故障進(jìn)行分析得知，它所產(chǎn)生的振動有如下特征：頻率成分的振動明顯增加，同時聯(lián)軸器的兩側(cè)也呈180°振動反相的現(xiàn)象。

3.4轉(zhuǎn)子裂紋

關(guān)于轉(zhuǎn)子裂紋，它主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子軸上，以橫向裂紋居多。如果轉(zhuǎn)子處于高溫、高速運(yùn)行環(huán)境下，則容易加大零件變形程度，進(jìn)一步引發(fā)轉(zhuǎn)子不平衡破壞現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲或者是通過臨界轉(zhuǎn)速時，會形成較大的彎曲應(yīng)力，此時容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)現(xiàn)象，并隨即引發(fā)線性振動。轉(zhuǎn)軸材料至關(guān)重要，它也會對轉(zhuǎn)子的性能造成直接影響，如果所使用的材料質(zhì)量欠佳，則會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在長期的靜應(yīng)力與交變應(yīng)力的持續(xù)影響下，轉(zhuǎn)子的表面將會形成裂紋。

基于對裂紋轉(zhuǎn)子所引發(fā)的振動現(xiàn)象進(jìn)行分析得知，其具有如下幾大特性：裂紋轉(zhuǎn)子的振動通常涉及到對階振動成分;而諸如裂紋深度、阻尼等都都會對高階成分造成影響;相較于無裂紋狀態(tài)而言，形成裂紋的轉(zhuǎn)子則會帶來更為明顯的振動現(xiàn)象。

3.5轉(zhuǎn)子失穩(wěn)

受轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的影響，容易出現(xiàn)大幅度振動，此外還伴隨有軸承損壞，動、靜件碰摩等問題，若情況較為嚴(yán)重還會出現(xiàn)災(zāi)難性損壞。關(guān)于轉(zhuǎn)子失穩(wěn)（即自激振動）的形成，它主要與交變力有關(guān)，而這一現(xiàn)象又受到了機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動的影響。當(dāng)產(chǎn)生自激振動時，振頻并不會受到轉(zhuǎn)速的影響。

關(guān)于轉(zhuǎn)子失穩(wěn)現(xiàn)象，其所表現(xiàn)出的特征有：振動頻率近似于轉(zhuǎn)子的固有頻率，無論轉(zhuǎn)速如何發(fā)生變化，振頻都不會受到影響，如果轉(zhuǎn)速出現(xiàn)突增的情況，在后續(xù)伴隨著轉(zhuǎn)速的增加對應(yīng)的振幅變動并不大。雖然振動的頻率與轉(zhuǎn)速具有微弱的關(guān)聯(lián)，但并不會呈現(xiàn)出特定的數(shù)值方面的規(guī)律。

3.6轉(zhuǎn)子彎曲

關(guān)于轉(zhuǎn)子彎曲的類型，主要由兩種：其一為永久性彎曲，顧名思義，此時的轉(zhuǎn)子軸已經(jīng)出現(xiàn)了無法恢復(fù)的弓形現(xiàn)象，這與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理、用料不均勻等因素有關(guān)，此外如果處于熱態(tài)停車時，也容易帶來這一問題。其二為臨時性彎曲，主要的影響因素有加載力偏大以及轉(zhuǎn)子預(yù)負(fù)荷。

對轉(zhuǎn)子彎曲做進(jìn)一步的總結(jié)，其特征主要有：在轉(zhuǎn)子初始彎曲過程中，激起的整機(jī)振動頻率在亞臨界轉(zhuǎn)速區(qū)和轉(zhuǎn)子不平衡力激起的一致;此外，就轉(zhuǎn)子初彎階段而言，受轉(zhuǎn)速上升的影響，對應(yīng)的振幅也將隨之增加。

4結(jié)語

綜上所述，航空發(fā)動機(jī)的復(fù)雜性較高，在運(yùn)行過程中普遍存在振動問題，與之相關(guān)的振動故障診斷技術(shù)集多學(xué)科于一身。在實(shí)際運(yùn)用過程中，為了全面且準(zhǔn)確的探尋到發(fā)動機(jī)振動故障的激勵以及振動信號特征，相關(guān)人員必須對內(nèi)部結(jié)果做以深度的了解，在此基礎(chǔ)上引入測振系統(tǒng)以及可行的信號處理方法，尋找到原因并將問題解決。