航空發動機液壓管路系統振動機理及故障診斷研究

邢瀾清

摘 要：航空發動機在運輸工具運行穩定及安全性等層面起到至關重要的作用。液壓管路系統振動會嚴重地影響航空發動機的運行效果，引起航空發動機故障。本文在闡述航空發動機液壓管路系統振動基本狀況的基礎上，就航空發動機液壓管路系統振動故障的作用機理展開分析，并指出這些故障的診斷方法，期望能進一步控制消除航空發動機液壓管路系統振動問題，提升航空發動機運行質量，確保飛機運行的穩定性、安全性。

關鍵詞：航空發動機;液壓系統;振動;機理分析;診斷

引言

液壓管路系統振動是航空發動機故障的重要影響因素，其嚴重地阻礙了航空發動機運作性能的發揮的，對航空發動機的應用效果造成較大影響。從航空發動機運作條件來看，液壓系統振動與諸多因素有關。新時期，人們對航空發動機的應用效果提出了較高要求，有必要深化航空發動機液壓管路系統振動機理研究，實現航空發動機液壓管路振動故障的有效處理。

1 航空發動機液壓管路系統振動基本情況

航空發動機是飛機的心血臟，其能將其他形式的能轉化為機械能，對于運輸工具的行駛具有積極作用。從結構組成來看，液壓管路是航空發動機附件系統的重要組成，其為燃油、滑油等介質的輸送中提供了穩定途徑。在一定程度上，航空發動機液壓管路直接關系著航空發動機的運作效果。

因功能差異影響，航空發動機的液壓管路在粗細、長短、走向上有較大差異，這些管路工作環境復雜，在實際運作中，一些管路容易因振動出現斷裂及管道街接頭故障等問題，威脅飛機的飛行安全。有研究顯示，在因航空發動機故障的所有空停事件中，管路、導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構故障的52%，這些管路中有較多管道為液壓管路，其因振動而損傷，對于飛機飛行安全具有深刻影響。對此，在航空發動機運行中，應重視液壓管路系統振動問題的診斷及處理[1]。

2 液壓管路系統振動機理分析

基于對系統激勵類型差異，可將振動分為自由振動、受迫振動、自激振動及參數振動等諸多類型[2]。當航空發動機液壓管路發生振動時，應從受迫振動、自激振動兩個層面進行深入分析。就液壓管路系統受迫振動而言，其振動問題與外界或內部的周期性、隨機機械載荷及流體載荷有較大關系;管理自激振動多會發生振動失穩，其多和流動介質與管路的運動相耦合有關。

深層次分析航空發動機液壓管路振動源，能為液壓管路振動問題的控制奠定良好基礎。引起航空發動機液壓管路振動的原因具有多元性的特征。

2.1因轉子不平衡力和流體的脈動壓力而引起振動

航空發動機液壓管路系統發生振動時，需首先考慮轉子不平衡力和流體的脈動壓力的作用關系。其中，當轉子出于失衡狀態時，其會出現一定的不平衡力，由此引起液壓管路系統振動問題。分析轉子動作過程可知，離心力對轉子軸承施加速度、力是轉子失衡的重要原因，在離心力的作用下，轉子有回轉中心的質量分布不均勻，致使自身出現了靜失衡、力偶失衡及動失衡三種狀態。基于這一激勵，在轉子高速運動的情況下，去自身會產生不平衡力，且這種不平衡力具有周期性的特征。一般認為，不平衡量的大小和轉速的高低決定了轉子不平衡力的大小，當這種不平衡力作用于液壓管路系統時，會對管路造成一定的激勵作用，引起液壓管路振動問題，振動激勵頻率（f）為航空發動機轉子速度的1/60。

在供油泵作用下，輸送燃油、滑油等流體的管路也會發生一定變化，這種變化會引起流體本身脈動壓力的周期性變化。在管路的彎徑處和變徑處，這種脈動壓力會對管理形成激勵作用，引起液壓管路系統振動。研究顯示，流體脈動壓力的激振頻率為泵齒數與泵轉速乘積的1/60。

2.2因卡門旋渦引起的振動

航空發動機運作過程中，若液壓管路系統本身的結構較為復雜，這極有可能出現卡門旋渦，卡門旋渦會引起管路振動問題。研究卡門旋渦作用機理可知，選擇均勻流場，在其中置入圓柱，這樣從圓柱體的兩側流出互為交替的規則形渦街，并且在圓柱體的后面也會形成一對旋渦。卡門旋渦指出，在渦街穩定的情況下，渦街的寬度為0.281倍的渦街間隔。在航空發動機運作中，卡門旋渦會引起液壓管路系統振動，且這種振動主要分為強迫振動和自激振動兩種類型。

2.3管路自身的耦合振動

航空發動機液壓管路起到輸送燃油、滑油等流體的作用，在航空發動機運作及液壓管路運行過程中，管路內流體與管路之間也會出現一些內在的耦合振動。從液壓管路系統固定方式來看，其多是在卡箍的作用下，將管路固定在航空發動機殼上的。航空發動機運作過程本身會產生一定的振動，這種振動會通過卡箍使得液壓管路強迫振動，同時管路輸送液體具有一定流量、壓力脈動差異，這種流量和壓力脈動差異會對管路產生強迫振動影響。當兩種振動頻率接近時，會產生一定的耦合諧振作用，最終引起液壓系統管路的振動[3]。

現階段，面對液壓管路系統自身的耦合振動問題，常用兩種方式對其進行處理。其一，視固體振動為主振體，然后將流體看做是附連質量與系統振動，在建立振動模型求解時，可將流體作為系統阻尼而進行模型解算;其二，將流體和固體作為兩個子系統進行分別解算，這樣在動力學方程下，可通過模態綜合或動態子結構等方式進行坐標縮減，以此來解決耦合諧振問題。

3 航空發動機液壓管路系統故障診斷

步入新時期以來，交通運輸工具發展迅速，人們對于飛機運行效果及出行安全提出了較高要求，在航空發動機運行中，應高度重視液壓管路系統故障的診斷和處理。故障診斷是航空發動機液壓管路振動故障處理的前提。現階段，在航空發動機液壓管路系統故障診斷中，常用的診斷方式包括：其一，在信號分析原理的支撐下，結合使用人工智能等方法進行故障的定性診斷，其二，在考慮航空發動機運作環境的情況下，建立液壓管路物理、數學、控制或組合模型，以此來進行數學解算，達到故障診斷的目的。相對而言，信號分析結合人工智能診斷方式的應用較多;但在實際應用中，還應注重信號分析過程中無法全面反映管路振動特征、無法定量刻畫故障程度等問題的處理，提升故障診斷的效率和精度，為航空發動機液壓管路系統故障控制提供參考。

4 結語

液壓管路系統振動影響航空發動機運行的穩定性，影響了人們交通出行的安全性。新時期，人們只有充分認識到航空發動機液壓管路系統振動類型，深層次分析液壓管路系統振動作用機理，并實施故障診斷和應對處理，這樣才能有效控制液壓管路系統振動問題，提升航空發動機運行質量，確保飛機運行的穩定性、安全性。

參考文獻：

[1]寸文淵，趙正大，陳果，等.基于模態分析的某型飛機液壓管路故障診斷[J].液壓與氣動，2019（5）：38-45.

[2]竇金鑫，薛政坤，于曉光，等.基于優化CNN的航空液壓管路卡箍故障診斷[J].機床與液壓，2020，48（16）：188-194.

[3]劉中華，李興泉，賈鐸，等.航空發動機液壓管路裂紋故障分析[J].航空發動機，2020，46（5）：66-70