航空發動機振動機理和分析轉子故障振動信號特征

焦旭東

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

關鍵詞：航空發動機;振動機理;轉子故障;振動信號;特征

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922{2019）10-0123-03

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

1航空發動機振動問題概述

航空發動機在運行過程中極容易形成激振力，它與轉子的不平衡有著密切的關聯，其中轉子動平衡超差與軸承會對其產生嚴重的影響。在新機研制與試驗過程中，如果工藝或者裝配方法存在偏差，也會引發發動機運行振動現象。對于多數的定型發動機而言，在制造過程中已經完成了轉子平衡操作，但受后續運輸等環節的影響，極容易出現磨損或者是腐蝕問題，因此也會加劇振動現象。關于航空發動機的具體示意圖，如圖1所示。

2航空發動機振動機理

發動機的結構較為復雜，因此要想對其性能進行分析并非易事，在展開有關于發動機的振動研究時，通常會對其進行簡化處理，使其變為一個理想化的振動系統。對此，文章對某航空的禍扇發動機展開分析，其中的禍輪和壓氣機為一體化裝置，它是最為主要的振源，當產生振動后經由軸承進一步傳遞給發動機，進而帶來發動機的整體振動現象。

2.1發動機整機振動

關于發動機的主框架，其以承力機匣為主，加之壓氣機靜子、渦輪靜子以及各類型機閘子所構成。以高壓壓氣機為基礎，在長軸的作用下實現了與高壓渦輪的連接，由此得到了高壓轉子，而低壓轉子的構成與之具有相似性。上述所提及的兩大類轉子在承立機閘的輔助下可以穩定安裝在發動機中，考慮到低壓轉子的剛性要求，對空心的高壓軸做了進一步的優化，即增設了一個中介軸承。

上述提出的為簡化模型，承立機閘可以被理解為是兩大剛性元件的組合體，各類型附件也與發動機相連接。受轉子不平衡的影響，則會帶來承力機閘振動現象，此外附件的振動也會進一步加劇發動機的振動幅度。

2.2轉子振動

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

當然，在實際運行工作中要想達到這種理想狀態并非易事，在轉子制造時往往會存在一定的誤差，由此引發了轉子不平衡問題，此時各重心并未完全重復，當轉子處于轉動狀態時受離心力的影響則會出現振動現象。

2.3軸承振動

發動機支撐結構必不可少，其內部安裝有軸承裝置。軸承可以被視為是一個振源，之所以會出現振動現象，一方面與制造誤差有關，另一方面則受到了各類故障的影響。

當軸承處于旋轉狀態時，滾珠則會沿著特定的滾道而持續滾動，盡管軸承加工與裝配都不存在誤差，但在實際運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軸承振動現象。與此同時，加工誤差也是引發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。伴隨著軸承的持續運行，在此過程中也有諸多不確定因素，因此激振力的隨機性較強，其頻率組成情況較為復雜，所以這也加大了隨機振動現象。關于軸承的具體構造，如圖2所示。

3轉子故障振動信號特征

轉子是構成發動機最為核心的部件，它也是發動機產生振動現象的關鍵性振源。在展開發動機的試驗時，應加大力度做好對轉子振動的監控工作，從而探尋出轉子故障的振動信號特征。

3.1轉子不平衡

在各類型發動機故障中，最為普遍的則是轉子不平衡，它與材質的不均勻、結構的不對稱等都密切相關，在各種因素的影響下則會加大轉子的質量偏心情況。盡管對轉子進行了動平衡處理，但受轉速低、平衡精度差的影響，在轉子運轉過程中也容易形成不平衡量，一旦出現了較大不平衡轉子，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生振動，其存在諸多特征，具體有：發動機在運行過程中振動幅度較大;相較于轉子轉速頻率而言，實際振動頻率與之相同，此時基頻幅值明顯超過了分頻幅值;轉子在臨界轉速以下持續運轉，伴隨著轉速的在增加則會進一步加大振動幅值;軸心軌跡以橢圓形為主。

3.2轉子碰摩

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

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

3.3轉子軸系不對中

在聯軸器的作用下實現對轉子的連接，進一步構成完整的軸系，起到傳遞運動與轉矩的作用。如果出現連軸器安裝精度不足的問題，或者是軸承中心線偏斜等，這些都會對發動機的工作狀態造成影響，最終會帶來轉子不對中的問題。

對轉子軸系不對中故障進行分析得知，它所產生的振動有如下特征：頻率成分的振動明顯增加，同時聯軸器的兩側也呈180°振動反相的現象。

3.4轉子裂紋

關于轉子裂紋，它主要發生在轉子軸上，以橫向裂紋居多。如果轉子處于高溫、高速運行環境下，則容易加大零件變形程度，進一步引發轉子不平衡破壞現象。當轉子出現熱彎曲或者是通過臨界轉速時，會形成較大的彎曲應力，此時容易出現轉子失穩現象，并隨即引發線性振動。轉軸材料至關重要，它也會對轉子的性能造成直接影響，如果所使用的材料質量欠佳，則會出現明顯的應力集中現象。在長期的靜應力與交變應力的持續影響下，轉子的表面將會形成裂紋。

基于對裂紋轉子所引發的振動現象進行分析得知，其具有如下幾大特性：裂紋轉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;相較于無裂紋狀態而言，形成裂紋的轉子則會帶來更為明顯的振動現象。

3.5轉子失穩

受轉子失穩的影響，容易出現大幅度振動，此外還伴隨有軸承損壞，動、靜件碰摩等問題，若情況較為嚴重還會出現災難性損壞。關于轉子失穩（即自激振動）的形成，它主要與交變力有關，而這一現象又受到了機械內部運動的影響。當產生自激振動時，振頻并不會受到轉速的影響。

關于轉子失穩現象，其所表現出的特征有：振動頻率近似于轉子的固有頻率，無論轉速如何發生變化，振頻都不會受到影響，如果轉速出現突增的情況，在后續伴隨著轉速的增加對應的振幅變動并不大。雖然振動的頻率與轉速具有微弱的關聯，但并不會呈現出特定的數值方面的規律。

3.6轉子彎曲

關于轉子彎曲的類型，主要由兩種：其一為永久性彎曲，顧名思義，此時的轉子軸已經出現了無法恢復的弓形現象，這與轉子結構不合理、用料不均勻等因素有關，此外如果處于熱態停車時，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子預負荷。

對轉子彎曲做進一步的總結，其特征主要有：在轉子初始彎曲過程中，激起的整機振動頻率在亞臨界轉速區和轉子不平衡力激起的一致;此外，就轉子初彎階段而言，受轉速上升的影響，對應的振幅也將隨之增加。

4結語

綜上所述，航空發動機的復雜性較高，在運行過程中普遍存在振動問題，與之相關的振動故障診斷技術集多學科于一身。在實際運用過程中，為了全面且準確的探尋到發動機振動故障的激勵以及振動信號特征，相關人員必須對內部結果做以深度的了解，在此基礎上引入測振系統以及可行的信號處理方法，尋找到原因并將問題解決。