摘要：振动故障是航空发动机在使用中最容易出现的故障种类之一，其不仅会严重影响航空发动机的运行安全，同时还会降低航空发动机的使用寿命。因此文章对航空发动机使用中的常见振动故障进行了分析研究，例如转子故障、气流激振振动故障、发动机结构元件故障等等，并进一步探讨了现阶段常用的故障诊断技术和发展趋势，以供参考。
发动机密封关键词：航空发动机；振动故障诊断；状态监测
引言
随着科学技术的快速发展，航空发动机的推力、转 速、动强度等显著提高，导致发动机零部件的振动载荷不断增加，振动引起的故障显著增多；此外，发动机结构日趋复杂且质量不断减轻，其对安全性和可靠性的要求亦随之增高。因此，发动机振动状态及振动特征的精准识别是判断发动机有无故障的主要手段，且
振动是航空发动机的一个重要监控参数，发动机在进行试验时，需要解决各种振
动问题，如果发动机出现振动异常而不及时加以检查排除，就有可能造成严重的后果[1]。因此，航空发动机振动故障诊断一直都是航空发动机试验测试中的一个重要研究课题。
1航空发动机整机振动故障原因分析
航空发动机整机振动故障的原因较为复杂，通常是多种综合因素下共同导致的结果。对此，理清航空发动机结构类型，梳理其整机振动的规律，对于寻求解决振动故障提供了直接有效的参考，也是当下航空飞机安全运行中发动机设备研发创新的重要任务。基于国内外航空发动机研究的相关文献，结合航空发动机运行的实际情况，阐述当前民航和军用航空飞机中较为常见几种航空发动机整机振动故障类型和故障原因。
1.1转子故障
（1）转子不平衡故障。在航空发动机中，转子结构是指发动机内部轴承支撑着的旋转体，依照发动机运行原理主要是依托转子和轴承的相互关系。转子在较高频率的转速下会出现转子不平衡，如静不平衡、偶不平衡和动不平衡等。转子不平衡故障的检测技术主要是检测发动机的转速、频率、转速平方和航空飞机的载荷关系，当前者参数相同、后者参数呈
正比，则表现转子出现不平衡故障。根据发动机的转子结构和运行作用可知，转子所采用的原材料性能不高或是制作工艺偏差等情况，其在具体的运行中都会出现质量偏差故障，引起发动机整机振动。（2）转子不对中故障。航空发动机性能随着航空事业的发展而不断优化完善，在现阶段下航空发动机的转速和推重比呈现出高标准发展。当发生转子不对中故障时，所采用的检测技术主要是对发动机轴承对称性的分析判断，如发动机轴承发生非正常磨损，则可能是因为转子不对中所导致。在转子不对中的振动原因中，随着航空飞机飞行速度的提升，整机振动幅度呈现出上升趋势。（3）转子积液。在鼓筒式结构的发动机中，发动机内部的轴承密封装置容易在发动机调试的时候出现漏油等问题。随着发动机轴承开始测试运作，这些积液会进入到鼓筒结构中，在航空发动机整机正式飞行过程中，带有鼓筒的转子随着转速越来越快，鼓筒内部的油液会形成油团。作为杂质存在的油团同转子的振动幅度、方向、频率等都不同，导致转子出现自激振动，这种振动幅度角度导致发动机内部密封结构的摩擦变大，发动机叶片出现非常规磨损，严重损坏发动机的重要元件性能，容易引发整机振动故障[2]。（4）转子支承松动。航空发动机内部转子是通过各种支承结构连接在轴承上面，转子支承出现松动会导致整个发动机轴承表面结构出现缝隙，发动机所应有的机械阻力降低；达到既定的转速和频率则会影响到发动机的整体结构，带来振动故障。转子支承松动的原因主要是发动机受到外力压力影响和所处的结构温度升高。
1.2气流激振下的整机振动故障
气流激振会导致发动机运行结构出现自激振动反应。通常情况下，发动机在运行中转子和静子之间存在漏气，压气机的效率会受到影响。因此一般情况下，所有的航空发动机都会设置机械密封装置，但是也由此带来新的气流问题。如封闭腔中原有的气体会受到内部温度场等的影响，实现不规则的旋转运动导致整个封闭腔内部的压力分布不均匀，引发发动机整机振动故障。
1.3航空发动机结构元件故障
航空发动机内部组成结构较为繁杂，且发动机运行的原理也涉及到多个理论知识。这些结构和原理在支持航空发动机稳定安全运行的同时，也会为其带来整机振动的故障情况。（1）传动系统故障引起的振动。传动系统是带有齿轮耦合转子的复杂系统，运行依托于动力学特性，涉及齿轮动力知识和轴承动力知识。在实际的发动机运行系统中，传动系统的任一模块发生运行不顺畅的故障问题，都会引起整机振动故障。（2）叶盘失谐引起的振动故障。叶盘是航空发动机内部重要的功能区域扇区，发挥着对发动机进行散热的作用。每型发动机内部都拥有多个叶盘，一旦出现叶盘失谐，则导致发动机的能耗和所产生的机械
能量都集中在个别的叶片上，增大叶片振幅，引起叶片的疲劳磨损；甚至在高速的运作下，叶片积聚的能量过大，导致叶片出现破损或断裂。一旦磨损严重，发动的整体稳定性会受到影响，产生整机振动故障[4]。（3）航空机匣的自激反应。机匣是安装航空发动机的架子，承担着发动机外部框架的作用。机匣振动会带动发动机整机发生机械性振动，当前导致航空机匣振动的原因有飞机结构失去平衡、噪声、气流等的影响。
2振动故障诊断方法
航空发动机振动故障诊断就是通过对发动机的振动信号进行分析和处理，实现发动机运行状态的识别和预测，在事故发生前及时进行诊断，从而提高发动机运行的可靠性及安全性。
2.1幅值谱诊断法
对一个信号的幅值谱分析，可以得到该信号的各种频率成分及其幅值和相位。幅值谱诊断法就是利用振动信号的幅值与频率的对应关系，实现对转子、齿轮和轴承故障的诊断。通过振动信号幅值谱分析可以获得发动机运行状态下的转子和部件的振动参数，如转子基频
及其倍频的幅值、轴心轨迹，齿轮的啮合频率幅值、轴承的特征参数幅值以及振动谱上其他重要成分的频率幅值等。通过观察各个频率下的振动幅值，可以判断出哪些部件的振动超标，哪些部件的振动在合理范围。幅值谱诊断法是使用最为广泛的一种分析方法，适合于发动机各种试验的振动监控。
2.2共振解调法
当齿轮和滚动轴承出现局部损伤类故障时，会产生周期性的脉冲激励，由于脉冲激励是一宽频信号，必然会激起振动传感器（压电加速度计）的谐振（共振）。将传感器拾取的振动信号进行放大，然后经过中心频率等于传感器谐振频率的带通滤波器滤波，再经解调器进行包络检波，得到了与脉冲冲击发生频率（即齿轮、轴承的故障特征频率）相同的低频信号，对此信号进行频谱分析，可以有效地诊断出齿轮和滚动轴承的故障部位，这种技术就是共振解调法，共振解调技术与快速傅里叶变换（FFT）分析的对比如图 1 所示。共振解调技术对诊断齿轮和滚动轴承的损伤类故障效果非常好，该技术得到了广泛应用。
图1 振动信号FFT分析与共振解调分析对比
2.3细化谱分析技术
细化谱（ZOOM）分析是在FFT分析中用以增加频谱中某段频率范围的分辨能力的方法，即局部放大的方法。细化谱分析能使感兴趣的频段得到较高的分辨率，进而按频率逐段局部放大就能使整个频谱图得到详细的分析。该方法在处理间距很近的共振尖峰、斜度陡变化激烈的相位谱图、含有大量谐波的振动信号等情况时，能够得到更高的频率分辨率，从而有效分析振动数据，提高故障诊断的准确性。
2.4倒频谱分析技术
倒频谱（cepstrum）分析可分析复杂频谱图上的周期结构，分离和提取在密集调频信号中的周期成分，对于具有多成分边频等复杂信号的分析非常有效。在齿轮磨损、偏载等故障的发动机齿轮箱的振动信号中，其信号功率谱中会含有多个大小和周期不同的成分，且出现频率调制时，在功率谱图上各振动频率混在一起，难以直观地从谱图上得出振动特征。利用倒频谱分析技术，对具有边带信号的功率谱再作一次谱分析，则能把具有周期成分的边带信号分离出来，从而实现振动故障信息的有效提取。倒频谱变换能够在整个功率谱范围内求取边频带的平均间距，既不会漏掉边频信号，又能够给出精确的间距结果。
2.5小波分析法
小波分析是一种信号的时频分析方法，它能够将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成不同频率的块信号。小波分析采用改变时间、频率的分析方法，具有多分辨率分析的特性，很好地解决了时间分辨力和频率分辨力的矛盾，在时域和频域都具有很好的局部化性质，适于分析检测具有瞬时突变等特征的非平稳信号，因而能有效地应用于故障诊断、信噪分离等问题。利用小波分析法进行故障诊断，首先针对振动信号的特点按照最大
相似度准则选取小波基，根据信号采样频率对信号进行小波分解，可以利用门限阈值等形式对所分解的小波系数进行处理，对每一层小波系数进行重构，进而通过对重构信号进行频谱分析，提取异常振动信息，得出诊断结论[5]。在齿轮故障、滚动轴承磨损、剥落等故障中，其振动信号中含有与故障部件对应的冲击成分，用小波分析法可以提取这些冲击成分，从而实现对故障的诊断。此外，常见的振动故障诊断方法还有模态分析法、多相干分析技术、振动信号分形方法、信号盲源分离技术等，在发动机振动故障诊断及排故中时有采用，在此不再赘述。
发布评论