航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)分析與控制

閆志敏 劉濤 劉本勝 韓亮亮

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中較為普遍發(fā)生的和嚴(yán)重的故障就是發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)是，同時(shí)由于其復(fù)雜性，也在一定程度上增加了控制的難度。本文對(duì)常見的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)類型進(jìn)行了闡述，并對(duì)引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的原因的進(jìn)行了分析，同時(shí)總結(jié)了常用的控制方法，以期為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的問題提供參考。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；整機(jī)振動(dòng)；類型；原因；控制

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，特別是在飛行過程中的整機(jī)振動(dòng)，會(huì)增加磨損，導(dǎo)致系統(tǒng)故障，造成不可預(yù)知的后果。為此，振動(dòng)故障類型的準(zhǔn)確把握，原因的細(xì)致分析，控制技術(shù)的熟練掌握顯得十分重要，這不僅可以極大地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性，而且也可以增強(qiáng)其適應(yīng)性，減少維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。這也是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)時(shí)需要探索的重要課題。

1 常見的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)類型

整理相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，目前較為常見的故障類型主要包括：轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件之間的摩擦、轉(zhuǎn)子彎曲、同心度問題、主軸承故障、附件軸承和齒輪損壞、油膜振蕩、轉(zhuǎn)軸開裂、不均勻的氣流渦動(dòng)等等。找準(zhǔn)故障類型，是進(jìn)行故障原因分析，并找到解決辦法的前提。

2 引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的原因

2.1 轉(zhuǎn)子發(fā)生故障

（1）轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡是航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)的眾多原因中最主要的一種。它不僅可以產(chǎn)生噪音，誘發(fā)其他類型故障，更會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行造成巨大威脅。識(shí)別轉(zhuǎn)子不平衡，并采取有效措施降低其發(fā)生頻次，是減少發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)發(fā)生的重要措施。相對(duì)于其他原因引起的振動(dòng)，轉(zhuǎn)子不平衡有著較為明顯的特征，那就是載荷與轉(zhuǎn)速平方成正比，轉(zhuǎn)速和頻率相同。通過研究發(fā)現(xiàn)，引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因有很多，比如轉(zhuǎn)子的材質(zhì)不達(dá)標(biāo)、設(shè)計(jì)不合格、熱變形、制作誤差等等，都可以造成轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中出現(xiàn)質(zhì)量不平衡的現(xiàn)象。

（2）轉(zhuǎn)子不對(duì)中。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和推重比要求越來越高，而由軸系不對(duì)中引起的振動(dòng)故障也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。如果航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不對(duì)中的話，極易造成軸承磨損、轉(zhuǎn)子和機(jī)匣摩擦等故障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性造成極大威脅。一般情況下，我們可以將轉(zhuǎn)子不對(duì)中分為聯(lián)軸器不對(duì)中和軸承不對(duì)中兩種。聯(lián)軸器不對(duì)中又可分為角度不對(duì)中、平行不對(duì)中、角度平行不對(duì)中三種。軸承不對(duì)中主要是由于軸承支座的變形和安裝誤差等原因造成的，同時(shí)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性造成危害。多項(xiàng)研究表明，由轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)幅度會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高而加大。

（3）轉(zhuǎn)靜子摩擦。一般轉(zhuǎn)靜子摩擦可以分為局部摩擦和全局摩擦，局部摩擦又可以分為單點(diǎn)、多點(diǎn)、面摩擦三種。按照轉(zhuǎn)子類型也可將其分為單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子摩擦兩種。目前對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦故障的機(jī)理研究一般都是通過Jeffcott因子建立韓摩擦故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，用滾動(dòng)軸承將高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子連接起來，構(gòu)成了雙轉(zhuǎn)子-滾動(dòng)軸承系統(tǒng)。雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)激振源，當(dāng)轉(zhuǎn)靜子摩擦發(fā)生時(shí)，一方面兩個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率發(fā)生振動(dòng)，靈體方面兩個(gè)轉(zhuǎn)子的組合頻率也會(huì)振動(dòng)。

（4）轉(zhuǎn)子積液。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)采用的是鼓筒式結(jié)構(gòu)，其前后支承地方額封嚴(yán)裝置經(jīng)常在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)漏油，因此在鼓筒內(nèi)會(huì)出現(xiàn)積油。帶有鼓筒的轉(zhuǎn)子雖然是剛性的，但實(shí)際上它是介于剛性和柔性之間的，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過限度時(shí)，他也是會(huì)發(fā)生彎曲的。在轉(zhuǎn)子內(nèi)存在積油的情況下，如果轉(zhuǎn)速超過臨界值時(shí)，積液就會(huì)形成油團(tuán)，由于油團(tuán)的頻率跟轉(zhuǎn)子不同，就導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子自激振動(dòng)，這種振動(dòng)的振幅一般較大，既增加了滾動(dòng)軸承的負(fù)擔(dān)，也會(huì)造成葉片與機(jī)匣的摩擦，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，造成危險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，只要轉(zhuǎn)子內(nèi)存在積液，不管數(shù)量多少，都會(huì)明顯感覺到振動(dòng)。

（5）轉(zhuǎn)子支承松動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子支承松動(dòng)，支承系統(tǒng)聯(lián)系面存在縫隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機(jī)械阻力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障。產(chǎn)生支承松動(dòng)的主要是受到外力和溫度升高的影響。

2.2 氣流原因

（1）葉柵尾流。葉柵尾流造成的振動(dòng)主要是由于靜子葉片的存在，葉片下游氣壓和流速會(huì)降低，當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)這個(gè)區(qū)域時(shí)，其所承受的氣流動(dòng)力也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振動(dòng)。

（2）封閉氣流。由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間有漏氣，影響壓氣機(jī)效率，因此我們必須選擇封閉裝置。氣體在封閉腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)滯后于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，造成壓力分布不均勻，這也將引發(fā)振動(dòng)。為了減少氣流振動(dòng)，我們通常會(huì)采取加裝煩預(yù)旋裝置、周圍遮擋、阻尼密封等三種手段減小氣流在封閉腔內(nèi)的流速。這三種方式本質(zhì)是都是軸向封閉，而大量研究證明螺旋形流動(dòng)是產(chǎn)生氣流力的主要原因，所以軸向封閉并不能從根本上解決氣流振動(dòng)故障。由于軸向封閉還存在泄漏量和耐磨性的矛盾，因此降低漏氣，提高安全性，研究更先進(jìn)的封閉技術(shù)也必然成為熱點(diǎn)，這對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)十分重要。

2.3 齒輪

傳動(dòng)系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)十分重要的一部分，其傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)齒輪耦合復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，要分析該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，我們也要掌握轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、齒輪動(dòng)力學(xué)和軸承動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)。

2.4 失諧葉盤

所謂失諧葉盤就是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤的各個(gè)扇區(qū)存在著不可避免的誤差，這種誤差就叫失諧。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)失諧是非常敏感的，失諧發(fā)生后，能量會(huì)集中存在于部分葉片上，導(dǎo)致振幅增強(qiáng)，引發(fā)葉片高周疲勞失效，甚至?xí)斐扇~片破損或斷裂等危險(xiǎn)。

2.5 機(jī)匣振動(dòng)

機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的架子，能夠直接反映出發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)的真實(shí)情況。當(dāng)前對(duì)機(jī)匣振動(dòng)的研究主要包括結(jié)構(gòu)、噪聲、氣流激振等幾個(gè)方面。結(jié)構(gòu)激振是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡引起的；噪聲激振主要是由于氣流高速流動(dòng)造成的；氣流激振主要是由于氣團(tuán)旋轉(zhuǎn)失速導(dǎo)致的。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)控制方法

3.1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，目前發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上，主要研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速、穩(wěn)態(tài)不平衡等問題。如果不能對(duì)涉及整機(jī)結(jié)構(gòu)特征的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，就無法解決整機(jī)振動(dòng)的問題。同時(shí)，當(dāng)前開展的動(dòng)力學(xué)分析主要是通過線性振動(dòng)設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中原有的非線性因素進(jìn)行了處理，這種設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化計(jì)算，提高設(shè)計(jì)效率，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，非線性因素越來越多，影響越來越明顯，原有的線形設(shè)計(jì)明顯不能滿足需求，只有加強(qiáng)非線性研究，才能更加準(zhǔn)確的掌握振動(dòng)特點(diǎn)。

在動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，忽略了對(duì)加工誤差分布、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的考慮，而將結(jié)構(gòu)特征參數(shù)都當(dāng)做了確定性的參數(shù)。我們應(yīng)該建立整機(jī)參數(shù)模型來對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行分析，考慮結(jié)構(gòu)特征的分散性，建立整機(jī)振動(dòng)的概率分析動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)模型。

3.2 基于支承結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

動(dòng)力學(xué)分析在航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中已經(jīng)比較成熟了，但由于缺少支承機(jī)構(gòu)動(dòng)柔度數(shù)據(jù)，計(jì)算誤差過大，影響了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的真實(shí)目的，最終導(dǎo)致分析結(jié)果精度不夠。動(dòng)柔度主要是指單位振動(dòng)載荷造成的變形，這主要與振動(dòng)頻次和振動(dòng)質(zhì)量有關(guān)。在正常柔度范圍內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速對(duì)它的敏感性是很高的，我們可以通過靜柔度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮溫度的影響。對(duì)靜柔度的實(shí)測(cè)很簡(jiǎn)單，但對(duì)動(dòng)柔度的實(shí)測(cè)不太現(xiàn)實(shí)，而影響臨界速度的就是動(dòng)柔度，因此對(duì)動(dòng)柔度進(jìn)行更加精確的把握是提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的前提。影響動(dòng)力學(xué)特征的第二個(gè)重要因素是連接結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度。國外從20世紀(jì)中期開始采取相關(guān)措施，制訂了相對(duì)完善的應(yīng)用規(guī)范。而國內(nèi)的相關(guān)研究才剛剛起步，對(duì)各種參數(shù)的研究還不夠深入，在未來我們應(yīng)該加大對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的控制提供有力支持。

3.3 裝配工藝控制

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝的實(shí)施主要是為了保證在工作時(shí)間段內(nèi)安全、穩(wěn)定完成其效能任務(wù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們需要充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和它的工作環(huán)境。也就是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境影響下的力學(xué)參數(shù)、能夠滿足動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)需求，控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)范圍，提高裝配工藝水平，保障發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行品質(zhì)。

在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，各部件的工藝特征參數(shù)都存在著時(shí)變性和分散性的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了動(dòng)力學(xué)參數(shù)的時(shí)變性和分散性，直接引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的較大的分散度。由于引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確，因此要增加結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定性，研究者需要理清影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)參數(shù)的主要內(nèi)容，并且研究其控制技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)是由眾多零部件組合而成的，但這些零部件具有一定的隨機(jī)性，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)也存在分散性的特征。我們需要對(duì)靜態(tài)工藝參數(shù)進(jìn)行合理研究，這樣才能滿足裝配工藝參數(shù)的需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變化會(huì)引起動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，影響整機(jī)振動(dòng)特征。我們需要對(duì)工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，找到它們與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的聯(lián)系，為裝配工藝控制打下基礎(chǔ)。影響整機(jī)振動(dòng)的直接參數(shù)也就是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，而不同心度、連接剛度等參數(shù)又是裝配工藝的主要參數(shù)，所以，裝配工藝的參數(shù)對(duì)控制整機(jī)振動(dòng)有著重要的意義。

4 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能直接影響到飛機(jī)飛行安全，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)對(duì)避免空中事故、減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，高性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多，但是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，這對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。

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作者簡(jiǎn)介：閆志敏（1991-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，研究生，工學(xué)碩士，長(zhǎng)期從事飛行器總體設(shè)計(jì)、飛行器先進(jìn)控制方法研究、飛控軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)和核心算法開發(fā)的研究與應(yīng)用創(chuàng)新工作。