航空发动机振动机理和分析转子故障振动信号特征

焦旭东

摘要：我国的航空事业正处于蓬勃发展时期，为了满足现代化航空航天事业的发展需求，必须注重对航空发动机的研制工作。在进行航空发动机的研制时，振动是普遍存在且较为棘手的问题，且在发动机的故障中振动是最为关键的影响因素。在研制过程中如果未将振动问题控制到位，不仅拖慢研制进度还会对整体质量造成影响。在此背景下，文章则将航空发动机的研制作为基本背景，围绕其振动激励展开分析，并探寻出转子发生故障时所表现出的信号特征，经本文的探讨，以期给相关工程人员提供一些可行的参考。

关键词：航空发动机;振动机理;转子故障;振动信号;特征

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1001-5922{2019）10-0123-03

在整个航空飞机中，发动机是最为核心的一大组件，它可以发挥出“心脏”的作用。这是一种具有高速旋转特性的流体机械装置，长期以来都存在振动问题。航空发动机的内部组成极为复杂，其中的零部件种类较多，运行工况也受到诸多因素的影响，因此探寻引发振动的机理并非易事。此外，伴随着发动机类型的差异化，其产生的振动特性也随之发生变化，即便是同—型号的发动机，不同批次的产业也会存在这一问题。

1航空发动机振动问题概述

航空发动机在运行过程中极容易形成激振力，它与转子的不平衡有着密切的关联，其中转子动平衡超差与轴承会对其产生严重的影响。在新机研制与试验过程中，如果工艺或者装配方法存在偏差，也会引发发动机运行振动现象。对于多数的定型发动机而言，在制造过程中已经完成了转子平衡操作，但受后续运输等环节的影响，极容易出现磨损或者是腐蚀问题，因此也会加剧振动现象。关于航空发动机的具体示意图，如图1所示。

2航空发动机振动机理

发动机的结构较为复杂，因此要想对其性能进行分析并非易事，在展开有关于发动机的振动研究时，通常会对其进行简化处理，使其变为一个理想化的振动系统。对此，文章对某航空的祸扇发动机展开分析，其中的祸轮和压气机为一体化装置，它是最为主要的振源，当产生振动后经由轴承进一步传递给发动机，进而带来发动机的整体振动现象。

2.1发动机整机振动

关于发动机的主框架，其以承力机匣为主，加之压气机静子、涡轮静子以及各类型机闸子所构成。以高压压气机为基础，在长轴的作用下实现了与高压涡轮的连接，由此得到了高压转子，而低压转子的构成与之具有相似性。上述所提及的两大类转子在承立机闸的辅助下可以稳定安装在发动机中，考虑到低压转子的刚性要求，对空心的高压轴做了进一步的优化，即增设了一个中介轴承。

上述提出的为简化模型，承立机闸可以被理解为是两大刚性元件的组合体，各类型附件也与发动机相连接。受转子不平衡的影响，则会带来承力机闸振动现象，此外附件的振动也会进一步加剧发动机的振动幅度。

2.2转子振动

转子模型类型丰富，其中以单盘无重轴模型最为典型，它也是最为简单的一种，质量为m的盘将会支撑在无质量的轴上。当转子处于完全平衡状态时，其几何中心、旋转中心以及质量中心均重合在一起。

当然，在实际运行工作中要想达到这种理想状态并非易事，在转子制造时往往会存在一定的误差，由此引发了转子不平衡问题，此时各重心并未完全重复，当转子处于转动状态时受离心力的影响则会出现振动现象。

2.3轴承振动

发动机支撑结构必不可少，其内部安装有轴承装置。轴承可以被视为是一个振源，之所以会出现振动现象，一方面与制造误差有关，另一方面则受到了各类故障的影响。

当轴承处于旋转状态时，滚珠则会沿着特定的滚道而持续滚动，尽管轴承加工与装配都不存在误差，但在实际运行过程中滚珠的受力存在差异，在上述因素的影响下则容易出现轴承振动现象。与此同时，加工误差也是引发轴承振动的重要因素，其中影响最为明显的有表面波纹度以及装配误差。伴随着轴承的持续运行，在此过程中也有诸多不确定因素，因此激振力的随机性较强，其频率组成情况较为复杂，所以这也加大了随机振动现象。关于轴承的具体构造，如图2所示。

3转子故障振动信号特征

转子是构成发动机最为核心的部件，它也是发动机产生振动现象的关键性振源。在展开发动机的试验时，应加大力度做好对转子振动的监控工作，从而探寻出转子故障的振动信号特征。

3.1转子不平衡

在各類型发动机故障中，最为普遍的则是转子不平衡，它与材质的不均匀、结构的不对称等都密切相关，在各种因素的影响下则会加大转子的质量偏心情况。尽管对转子进行了动平衡处理，但受转速低、平衡精度差的影响，在转子运转过程中也容易形成不平衡量，一旦出现了较大不平衡转子，则会形成离心力并随之带来振动。

受不平衡的影响会随之产生振动，其存在诸多特征，具体有：发动机在运行过程中振动幅度较大;相较于转子转速频率而言，实际振动频率与之相同，此时基频幅值明显超过了分频幅值;转子在临界转速以下持续运转，伴随着转速的在增加则会进一步加大振动幅值;轴心轨迹以椭圆形为主。

3.2转子碰摩

除了上述所提及的航空发动机故障外，诸如转子碰摩也是极为普遍的故障，最为典型的则是转子与机闸动静件的碰摩现象，虽然外转子也存在这一问题，但其出现的频率相对较低。受转子碰摩的影响，将会带来明显的整机振动现象，在长期的影响下发动机的效率随之降低，同时也容易出现较大的形变，严重时还会引发发动机转子叶片断裂现象。

如果出现了碰摩故障，那么所带来的振动特征主要有：如果高阶频谱的成分增多，摩擦现象则更为明显;振动幅值会出现明显的跳跃现象，此外振动相位波动也较为明显。

3.3转子轴系不对中

在联轴器的作用下实现对转子的连接，进一步构成完整的轴系，起到传递运动与转矩的作用。如果出现连轴器安装精度不足的问题，或者是轴承中心线偏斜等，这些都会对发动机的工作状态造成影响，最终会带来转子不对中的问题。

对转子轴系不对中故障进行分析得知，它所产生的振动有如下特征：频率成分的振动明显增加，同时联轴器的两侧也呈180°振动反相的现象。

3.4转子裂纹

关于转子裂纹，它主要发生在转子轴上，以横向裂纹居多。如果转子处于高温、高速运行环境下，则容易加大零件变形程度，进一步引发转子不平衡破坏现象。当转子出现热弯曲或者是通过临界转速时，会形成较大的弯曲应力，此时容易出现转子失稳现象，并随即引发线性振动。转轴材料至关重要，它也会对转子的性能造成直接影响，如果所使用的材料质量欠佳，则会出现明显的应力集中现象。在长期的静应力与交变应力的持续影响下，转子的表面将会形成裂纹。

基于对裂纹转子所引发的振动现象进行分析得知，其具有如下几大特性：裂纹转子的振动通常涉及到对阶振动成分;而诸如裂纹深度、阻尼等都都会对高阶成分造成影响;相较于无裂纹状态而言，形成裂纹的转子则会带来更为明显的振动现象。

3.5转子失稳

受转子失稳的影响，容易出现大幅度振动，此外还伴随有轴承损坏，动、静件碰摩等问题，若情况较为严重还会出现灾难性损坏。关于转子失稳（即自激振动）的形成，它主要与交变力有关，而这一现象又受到了机械内部运动的影响。当产生自激振动时，振频并不会受到转速的影响。

关于转子失稳现象，其所表现出的特征有：振动频率近似于转子的固有频率，无论转速如何发生变化，振频都不会受到影响，如果转速出现突增的情况，在后续伴随着转速的增加对应的振幅变动并不大。虽然振动的频率与转速具有微弱的关联，但并不会呈现出特定的数值方面的规律。

3.6转子弯曲

关于转子弯曲的类型，主要由两种：其一为永久性弯曲，顾名思义，此时的转子轴已经出现了无法恢复的弓形现象，这与转子结构不合理、用料不均匀等因素有关，此外如果处于热态停车时，也容易带来这一问题。其二为临时性彎曲，主要的影响因素有加载力偏大以及转子预负荷。

对转子弯曲做进一步的总结，其特征主要有：在转子初始弯曲过程中，激起的整机振动频率在亚临界转速区和转子不平衡力激起的一致;此外，就转子初弯阶段而言，受转速上升的影响，对应的振幅也将随之增加。

4结语

综上所述，航空发动机的复杂性较高，在运行过程中普遍存在振动问题，与之相关的振动故障诊断技术集多学科于一身。在实际运用过程中，为了全面且准确的探寻到发动机振动故障的激励以及振动信号特征，相关人员必须对内部结果做以深度的了解，在此基础上引入测振系统以及可行的信号处理方法，寻找到原因并将问题解决。