某型航空發動機振動故障分析

房 靜， 徐建偉， 郭 強， 李甜甜， 武濟泓

（中航西安飛機工業集團股份有限公司， 陜西 西安 710089）

引言

由于航空發動機具有高速運轉的特點，因此必須將其振動值限制在規定的范圍內，以保證其使用壽命。發動機的任何早期機械故障都可以通過振動值的驟增表現出來，對發動機振動情況進行監視，可以提前發現故障，并據此及時采取措施，以防故障擴大造成事故，同時達到延長發動機壽命的目的。某型機在飛行訓練中多次出現左側發動機的后振動值偏大故障，極大地增大了地勤人員的工作量，嚴重時導致任務中斷。本文針對航空發動機振動故障進行分析，并采取相應措施，以提高發動機工作效率。

1 振動監測系統組成及工作原理

某型發動機振動監測系統（見圖1）由振動傳感器、振動電子部件、發動機指示/空勤告警系統等部件組成。前、后安裝面各有一個振動傳感器，當傳感器殼體隨發動機一起振動時，其內部活動系統則保持在相對靜止的位置上，這樣能確切地監控發動機前、后兩個安裝面的振動值，同時輸出正比于發動機機匣振動速度的電信號。監測系統測出的是垂直振動，隨后將電信號送入振動電子部件，經過電子部件的放大輸出后傳至發動機指示/空勤告警系統。當振動速度大于50 mm/s 時，向發動機指示/空勤告警系統發出振動增大告警信號；當振動速度大于65 mm/s 時，向發動機指示/空勤告警系統發出危險振動告警信號，提醒飛行人員及時采取措施。前振動測量點位于發動機分隔機匣上，后振動測量點位于發動機后懸掛接頭上。

圖1 發動機振動監測系統

2 振動故障原因分析及解決方法

發動機通過安裝架安裝于飛機上，結合發動機振動檢測系統原理，可畫出振動監測系統故障原因分析圖（見圖2），下面對各個可能出現的故障進行具體分析，并提出具體解決方法。

圖2 振動監測系統故障原因分析圖

2.1 發動機本體振動

2.1.1 轉子不平衡力

機械振動中轉子不平衡力是引起發動機振動的最主要原因。發動機在進行總體結構設計時，轉子采用聯軸器將壓氣機轉子與渦輪轉子聯成一體，并采用多個軸承形成支承方案，將轉子支承在發動機機匣上。轉子上所受的各種載荷都由支承結構承受，并傳到發動機機匣上，最后通過發動機安裝架傳遞到飛機結構上。

若發動機裝配時轉子質量不均勻、支撐方案設計不合理、熱變形、誤差大或轉子支承松動，都會導致轉子出現不平衡力使整機發生振動。這就要求發動機廠嚴格控制生產制造中的誤差、工藝及材料選擇，在設計支承方案、選擇聯軸器時，充分保證轉子能可靠定心及周向定位，并能鎖緊不松脫。此外，還要對轉子進行整機平衡測試，以獲得較高的平衡精度。

2.1.2 內部氣流失速、喘振

低轉速、起動過程、發動機加減速過程中，進入壓氣機的空氣流量不能與壓氣機轉速相適應，會導致攻角加大，直至氣流在葉背發生分離，導致失速，若分離區擴散到整個葉柵通道，此時空氣流量急速下降甚至倒流，即為喘振。喘振會導致壓氣機葉片振動，情況嚴重時甚至會因為高溫而損壞燃燒室和渦輪葉片。

針對失速和喘振現象，可通過采取在壓氣機中間級處安裝放氣活門、可調靜子葉片、進口導流葉片、多轉子的方法來予以改善。

2.1.3 轉子損傷

當飛機從進氣道吸入外物，或發動機內零部件松脫、斷裂時，會導致轉子、輪盤、燃燒室、軸承等結構發生損傷甚至掉塊，從而導致發動機振動值增大。此外，某型機進氣道中間隔板將來流分為兩股，造成發動機周向進氣畸變，氣動力的周期性變化導致葉片產生扭轉運動，并產生工作轉速范圍在K=4、K=6以及K=8、K=12、K=16 等倍頻激勵下的共振趨勢，導致減振凸臺擠壓磨損，形成疲勞裂紋，甚至發生掉塊，導致發動機振動值增大。

針對以上問題，飛機飛行前必須確保發動機進氣通道干凈無雜物，葉片轉動正常，且不能在發動機內殘留任何工具物品。此外，按照維護周期定時檢查轉子葉片是否有裂紋、卷邊、掉塊等故障，同時檢查軸承間隙與滑油中金屬屑含量是否正常，若不正常需及時予以處理。

2.1.4 零附件共振/諧振

某些發動機零附件在受到激振力的作用時，若激振力的頻率與其固有頻率相同或接近時會引起共振。常見的局部共振有機匣共振、支板共振、葉片共振等，這些振動往往會導致整機振動故障。

針對零附件共振問題，通?？梢圆捎酶淖兘Y構的剛度和外阻尼、必要時改變激震頻率、盡量避開危險頻率值等方式來避免此類故障。

2.1.5 燃油壓力脈動

發動機燃油系統中有燃油泵、供油活門、油泵調節器、換算轉速調節器等多個對燃油進行增壓、穩壓、流量轉換的機械裝置。當出現彈簧斷裂、活門或柱塞卡滯、通油管堵塞、供油量突增突降等問題時，便會導致燃油壓力脈動，發動機受力狀態改變，從而使發動機發生振動。

針對此類故障，需提高附件質量，及時檢查并清洗油濾，以避免卡滯、堵塞，同時做好發動機的定期維護工作，在推拉油門桿時盡量在發動機的穩定工作區進行緩慢操作，避免猛推猛收。

2.2 發動機與安裝架發生共振

對一些后振動值偏大的飛機后懸掛梁的固有頻率進行測量，發現吊掛梁在150 Hz 和170 Hz 頻率點出現峰值，與發動機后振動點的頻譜分析儀測量數據分析一致，正好對應發動機85%和95%的轉速頻率。由此可認為發動機在85%額定狀態和起飛狀態下的高壓轉子轉動頻率與后懸掛梁局部固有頻率接近，這便可能引起后懸掛梁和飛機左發的耦合振動。

針對這一故障，在設計發動機安裝架時，增加設計了可以調節的輔助撐桿，其機理是通過調整輔助撐桿長度來消除安裝間隙，增加桿系阻尼，從而減小發動機振動時后梁的振動幅度。

此外，不改變結構剛度，而是通過增加結構質量，在后吊掛梁振動幅值大的部位加配重（鉛塊）的方式，也可以降低發架的固有頻率，從而避免諧振，降低振動量級。但是采用此方法時，由于固定的鉛塊易松動，需重新緊固，而且會增加飛機重量，因此較少采用。

2.3 振動傳感器及其固定發生故障

振動傳感器安裝于發動機前后安裝面，由于在飛行中自身受到的振動較大，易出現電纜插頭或安裝螺釘松動的情況，從而導致振動值超標。這就要求工人在安裝振動傳感器時按規定力矩擰緊螺釘、并按要求打好電纜插頭的保險絲，保證振動傳感器固定牢靠。

此外，需對振動傳感器的線圈阻值、參考靈敏度及絕緣電阻進行周期性檢查，并對易損件進行更換，保證其測量的準確性。

2.4 振動電子部件發生故障

當出現振動值無輸出的故障時，有可能為振動電子部件內部元器件出現了問題。在與機上電路連接插頭插座安裝牢靠、無斷路的情況下，可用綜合檢查儀對其功能進行檢測，檢查振動電子部件內部的繼電器、自檢電路中集成運算放大器、電位計、輸出驅動電路運算放大器是否有損壞，若有損壞，更換元器件即可。

3 結論

1）振動控制方法可分為主動控制與被動控制兩種。主動控制通過消除發動機振動產生的因素來進行，如采取對發動機安裝進氣導流葉片、放氣活門、定期檢查并清洗油濾、檢查滑油內金屬屑含量等措施；被動控制是通過調整降低發動機振動對飛機產生的影響來進行，如采取安裝減振器、調整安裝拉桿、給吊掛梁增加配重等方式。

2）了解并掌握發動機振動故障模式、注意事項及解決方法，對提早發現發動機存在的結構故障、保障飛行安全具有一定的參考意義。