航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路振動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)故障分析

聶彥平 辛志東 路天樂

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路主要用于運(yùn)輸燃料、潤(rùn)滑油和航空等環(huán)境，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的重要組成部分。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外部管路要么單獨(dú)連接到箱體或附件，要么通過套筒或框架連接在一起，形成了一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的駕駛系統(tǒng)。管路系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心血管，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的重要因素，其結(jié)構(gòu)完整性要求符合整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。振動(dòng)是頻繁管路故障的主要原因。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路;振動(dòng)振源;振動(dòng)模式;故障分析框圖

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料、潤(rùn)滑油和航空運(yùn)輸工具，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。振動(dòng)因素是造成發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)管架導(dǎo)管斷裂的主要原因。由于管路系統(tǒng)的操作環(huán)境溫度變化頻繁且載荷相當(dāng)復(fù)雜，因此管路的壽命與許多因素密切相關(guān)，例如管路振動(dòng)應(yīng)力、初始裝配應(yīng)力、焊縫變形以及裝配過程中的操作程度、值在不同時(shí)間測(cè)量同一導(dǎo)管時(shí)，這些因素可能導(dǎo)致應(yīng)力、振動(dòng)頻率和共振速度的差異。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)振動(dòng)概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓管路系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的重要組成，其為燃油、滑油等介質(zhì)的輸送中提供了穩(wěn)定途徑，因功能差異影響，在粗細(xì)、長(zhǎng)短、走向上有較大差異，這些管路工作環(huán)境復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)作中，一些管路容易因振動(dòng)出現(xiàn)斷裂及管道街接頭故障等問題，威脅飛機(jī)的飛行安全。有研究顯示，在因航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的所有空停事件中，管路、導(dǎo)線和傳感器失效引起的空停事件占到50%，其中，外部管路斷裂故障占到空中飛行結(jié)構(gòu)故障的52%，這些管路中有較多管道為液壓管路，其因振動(dòng)而損傷，對(duì)于飛機(jī)飛行安全具有深刻影響。

二、管路系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理分析

（1）轉(zhuǎn)子不平衡力。由于轉(zhuǎn)子材料不均勻、設(shè)計(jì)缺陷、熱變形、制造和裝配誤差，電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布不均勻，因此實(shí)際轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心與重心不匹配，必然導(dǎo)致不同程度的不平衡。轉(zhuǎn)子的靜態(tài)彎曲、熱彎曲、轉(zhuǎn)子位移、旋轉(zhuǎn)部件的飛行等。會(huì)出現(xiàn)巨大的不平衡。轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性不平衡的力，其大小取決于轉(zhuǎn)子不平衡的大小和轉(zhuǎn)速。不平衡轉(zhuǎn)子力用作周期激勵(lì)，其最終作用在管路系統(tǒng)上，不平衡轉(zhuǎn)子力的激勵(lì)頻率為Fe = n/60 （n為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。轉(zhuǎn)子強(qiáng)度不平衡引起的振動(dòng)不同于其他原因引起的振動(dòng)，具有固有的特性，即動(dòng)態(tài)載荷與轉(zhuǎn)速平方成正比，頻率與轉(zhuǎn)速相同。

（2）流體壓力波動(dòng)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)或潤(rùn)滑油系統(tǒng)中的管路由于燃油泵、油泵、回油泵等的作用，定期改變流體壓力。在管路轉(zhuǎn)動(dòng)和直徑變化時(shí)，管路中的流體壓力脈沖會(huì)在管路上產(chǎn)生周期性的激勵(lì)力，流體壓力的激勵(lì)頻率為f = KN/60 （k是泵的齒數(shù)或柱塞數(shù)，n是泵的轉(zhuǎn)速）。

（3）卡門渦街。在某些復(fù)雜的管路系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部流道中的管路通常受卡門渦街的影響而振動(dòng)。當(dāng)管路放置在均勻的流場(chǎng)中時(shí)，當(dāng)流體穿過管路的圓柱形障礙物時(shí)，管路后面的隊(duì)列不均勻，但具有離散的湍流，即卡門街。旋轉(zhuǎn)球以順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向交替進(jìn)行，并在管線上交替使用橫向激勵(lì)力。卡門渦街引起的振動(dòng)非常復(fù)雜，可能導(dǎo)致強(qiáng)迫和自發(fā)的振動(dòng)。

（4）排氣氣流和格柵密封。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的圓形通道中，總壓力和死葉片下游氣流速度降低。轉(zhuǎn)子葉片通過該區(qū)域時(shí)，氣體功率發(fā)生變化，葉片表面氣流的周期性壓力變化引起葉片振動(dòng)。密封裝置用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的密封。葉柵排氣電流和密封氣流產(chǎn)生的振動(dòng)通過箱傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)的外部管路，從而引起管路振動(dòng)。

（5）燃燒室內(nèi)振蕩燃燒。在燃燒室中，火焰停留在預(yù)定區(qū)域內(nèi)，火焰管中設(shè)置回圈，高溫燃燒產(chǎn)物返回后將混合物加熱到點(diǎn)火溫度，形成自動(dòng)點(diǎn)火源。

三、航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路振動(dòng)的危害

長(zhǎng)期以來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)振動(dòng)問題一直被突出。由于安裝、焊接、耦合等原因，特別是由于套管振動(dòng)劇烈以及溫度和壓力等外部環(huán)境的劇烈變化，管路系統(tǒng)經(jīng)常存在振動(dòng)缺陷，造成嚴(yán)重事故。例如，在液壓系統(tǒng)中，可變柱塞泵的壓力脈動(dòng)會(huì)引起燃油管路的過度振動(dòng)和管路的裂縫;套筒上的液壓管路因振動(dòng)而破裂，引起火災(zāi);沖擊波與燃料流動(dòng)的耦合導(dǎo)致系統(tǒng)過載振動(dòng)，最終導(dǎo)致燃油管路出現(xiàn)一連串的裂縫和漏油。燃油管路振動(dòng)引起的火災(zāi)事故及其他損壞。典型的情況是：在模型試驗(yàn)飛行過程中，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)油管破裂，造成二型事故;風(fēng)扇馬達(dá)的試驗(yàn)反饋表明，充油管壞了，管路和車架、管路和配件的振動(dòng)過多。安裝在某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的液壓泵出口處的液壓管路破裂漏油，600℃高溫冷航空管路燃燒，返回飛機(jī)油箱，造成嚴(yán)重火災(zāi)。以往的研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分故障是由于管路破裂造成的，而管路的振動(dòng)是主要原因之一。

四、管路系統(tǒng)振動(dòng)故障分析

（1）管路斷裂分析，即利用立體放大鏡、光學(xué)顯微鏡、光鏡等觀測(cè)分析斷裂的形態(tài)及宏觀和微觀特征，以澄清裂紋的性質(zhì)和出現(xiàn)裂紋的位置，區(qū)分電阻斷裂和疲勞斷裂。（2）檢查和分析斷裂材料的金屬組織、化學(xué)成分和硬度，以確定其是否符合設(shè)計(jì)要求。導(dǎo)管的材料或加工缺陷，例如航空孔、玻璃眼、頭發(fā)、加工質(zhì)量差等，可以大大降低增益壽命限制并使其易受工作影響。（3）重新檢查故障管路的焊接工藝和處理工藝，確定處理工藝是否符合工藝要求，是否造成焊接損傷、擦傷、擦傷等。大多數(shù)管路連接都是焊接的，焊接缺陷是直接影響管路耐久極限的常見驅(qū)動(dòng)因素。（4）檢查有缺陷管路的裝配工藝，確定是否存在過度裝配約束。裝配管線時(shí)，由于加工尺寸的差異，在連接和固定管線時(shí)會(huì)生成裝配約束。裝配時(shí)，管材預(yù)熱約束導(dǎo)致疲勞裂紋，導(dǎo)管配件的焊接區(qū)也因振動(dòng)引起的疲勞裂紋而發(fā)生漏油。（5）對(duì)故障管路進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，了解管路運(yùn)行過程中的振動(dòng)特性和應(yīng)力水平。

結(jié)束語(yǔ)

總之，管路的結(jié)構(gòu)完整性若是沒有得到充分考慮，管路振動(dòng)故障的頻率使得減振設(shè)計(jì)問題越來越突出。通過分析引起管路振動(dòng)故障模式，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，列出了管路振動(dòng)故障分析圖，為系統(tǒng)振動(dòng)故障的設(shè)計(jì)和故障排除提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷華，柳貢民，張寅豹.流體管路橫向振動(dòng)的頻域傳遞矩陣法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2009，22（6）：597-601.3AF959C8-366D-4BEB-A440-C217C82F8B99