航空发动机用聚四氟乙烯软管内压载荷下振动特性的研究

李 明，吴亚东，杜朝辉

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

现代航空发动机可靠性和寿命的不断提高，对工作在恶劣环境下的外部管路的可靠性和寿命提出了更高的要求，由于柔性软管相较于金属硬管具有高阻尼结构特性和补偿部件间相对位移等优势，在航空发动机应用中逐渐成为主流。聚四氟乙烯软管是一种由内管、钢丝编织增强层和橡胶层组成的高性能柔性软管[1]，在航空发动机中，常作为燃油、滑油等介质的输送管路。软管在内部流体压力和外部激振力作用下产生振动，若管道与发动机发生共振，则会出现管接头断开或软管破裂现象[2-5]，这会影响发动机的性能，甚至可能造成严重的危险事故。为了避免管路发生共振，对管路进行安装、调频时，除了确定外部系统激振频率外，还需摸清软管的振动特性及固有频率[6-7]。

国内外学者对管道振动问题和高压编织软管的力学模型进行了广泛的分析研究。郭华等[8]对某型飞机燃油管路进行了振动特性分析，得到了管路谐振频率范围。Huang 等[9]采用数值方法得到两端支撑边界条件下管道的固有频率，并对不同边界条件下管道的稳定性进行了研究。Wang 等[10]建立了输液管道三维流固耦合模型，计算直管和弯管的固有频率，进一步研究了流速对固有频率的影响。邱明星等[7]对充液金属硬管管路的固有频率进行了研究，采用有限元法和试验法计算了空管和充液管的固有频率，得出充液管路固有频率比空载下小的结论，并进一步分析了流体压力和流速等对固有频率的影响。安晨亮等[11]建立了考虑摩擦效应的流固耦合模型，研究了流体压力对管路振动特性的影响，并通过试验对数值解进行了验证。吴江海等[12]对船舶中复合材料管的减振进行了研究，采用锤击法获得了复合管的模态固有频率和阻尼系数。Entwistle等[13-14]通过对某种双编织液压软管的拉伸试验，研究了外层编织层弹性应变随着压力变化的规律。Marquez等[15]对压气机排放口处金属波纹柔性软管的失效进行了分析，得出振动环境中软管编织带与波纹软管磨损是失效的主要原因。Cho等[16]通过代表体积单元法建立了纤维编织的高压软管的力学模型。Chen等[17]研究了钢带增强柔性管在轴向拉力和压力载荷下的力学行为，分析了载荷加载路径对管道抗爆破能力的影响。

国内外文献中管路的研究对象主要是单一材料的金属硬管，而对复合材料管路的振动特性研究较少。目前，我国聚四氟乙烯软管尚处于研制阶段，缺乏钢丝编织复合软管振动方面的研究。因此，对软管和金属管进行对比研究，分析软管的减振特性和影响振动特性的因素具有重要意义。本文通过试验方法得到的软管试验数据和基本规律可以为发动机管路系统安装、调频、减振设计提供较好的试验数据支撑，为国产化软管减振性能测试提供参照和为钢丝编织类复合软管振动理论分析、有限元数值模型计算提供参考。

1 试验介绍

由于多层材料结构的复杂性，软管在载荷下的传力机制和力学行为不同于其他材料管道[18]，直接进行理论分析较为困难，本文选择试验方法对软管振动特性进行研究。

软管的振动特性除了受固定点、弯头[4]、接头带来的压力脉动[5]影响外，还和软管本身的结构尺寸有关。软管的固支点、弯头和接头需根据聚四氟乙烯软管组件规范[19]进行选择，因此，在实际工程应用中，主要根据外部工作环境，如外部激振频率、介质压力、介质流量等选择合适材料和尺寸的管路。

本文开展不同管径和流体压力对软管振动特性影响的基础性研究工作。首先，对不同尺寸的软管和钢管进行对比研究，分析软管的振动特性和减振优势；其次，进一步分析流体压力对软管振动特性的影响；最后，分析软管结构变化导致的振动特性改变。

1.1 试验对象

试验对象是用于航空发动机管路中的高压聚四氟乙烯软管，其结构如图1所示。

图1 软管结构示意图

根据内管结构和当量内径，试验对象共有七种规格，其中内管为光壁结构的软管有三种规格，标记为a-1、a-2 和a-3，内管为波纹结构的软管有四种规格，标记为b-1、b-2、b-3 和b-4，其具体参数如表1所示。

表1 软管基本参数

1.2 试验台介绍

为了测量软管的固有频率和阻尼比，设计搭建了激励振动试验台，如图2所示，试验系统包括激励器、应变片、位移传感器、放大器、液压装置和NⅠ数据采集系统。

图2 激励试验系统框图

液压装置可以给软管通入最高40 MPa 的液压油，试验中的应变测量采用日本共和KFG-5-120-C1-11 型号应变片，数据采集系统采用美国DNA-PPC5系列主机，单通道采集频率可达100 kHz。

激励器采用瑞士Kistler 力锤激励器，型号为9724A2000，最大2 000 N 激励力，激励力可被数据采集系统记录。软管的振动采集使用日本Keyence LK-H150 型号高精度位移传感器，信号通过放大器输入NⅠ数据采集系统，可以得到如图3 所示的位移时间曲线，即软管在激励下的振动衰减曲线。

图3 自由振动衰减曲线

1.3 试验数据处理方法

根据振动理论[20]，由衰减曲线可以得出阻尼比ζ。对于没有零线的波形图，可由下式得到对数衰减比δ：

由此可得软管阻尼比：

本文试验处理中，为减少个别数据点对阻尼比的影响，取十个周期内峰值数据，对得到的五个对数衰减比取平均，然后再计算阻尼比，其中：

对振动衰减曲线进行快速傅里叶变换（Fast Fourier transform，FFT），即可得到1阶固有频率。

2 软管单次激励特性试验

2.1 空载下软管激励特性

首先对b-1规格软管在空载下进行试验，如图4所示，采用专门设计的夹具对软管进行固定。软管采用悬臂的安装方式，即软管一端固定，另一端悬空自由，距离固定端50 mm处位置设为激励点，使用力锤敲击，保持力锤敲击力幅一致，位移传感器采集到的振动位移输入数据采集系统，记录如图5 所示的振动衰减曲线。将振动衰减曲线经FFT处理后得到1阶固有频率为15.26 Hz，如图6所示。

图4 空载下软管激励试验

图5 b-1型号软管振动衰减曲线

图6 b-1型号软管频率特征图

对其余六个规格软管进行激励试验，得到的振动衰减曲线特征和b-1 规格软管基本相似。在内部不施加压力载荷的情况下，软管的振动模态以1 阶为主。

空载下软管1阶固有频率结果如图7所示，对于波纹软管，随着管径的增大，软管的固有频率呈增大趋势。光壁结构软管的固有频率受内径变化的影响较小，也有可能是光壁结构软管固有频率数据过少，不足以体现固有频率随内径变化的规律。

图7 软管1阶固有频率

对七个壁厚为2 mm，内径不同的不锈钢管进行激励试验，其结果如图8所示，钢管的固有频率随着内径增大呈减小趋势，但减幅不大，26 mm钢管固有频率相对于7.3 mm钢管减小约4%。

图8 钢管1阶固有频率

将软管与钢管的位移进行归一化处理，从图9可以看出，steel1 钢管的振动衰减时间为1.5 s，随着管径的增大，振动时间逐渐减小，steel7 振动时间为0.3 s。在相同激励下，软管的振动衰减时间均超过1.5 s。

图9 软管与钢管振动衰减图

对比软管和钢管的振动测量结果，软管1 阶固有频率比钢管要小。某型飞机燃油管路谐振频率为60 Hz～120 Hz[8]，使用软管替代钢管，可以有效避免管路系统发生共振现象。

2.2 压力载荷下软管激励特性

软管在实际工作中，内部是受到压力载荷作用的，所以对软管内部施加压力进行激励分析，探究压力载荷对软管固有频率的影响。

将软管左端固定并和液压装置相连，软管右端用堵头堵住并且悬空放置，如图10所示。采用10号航空液压油加压，根据软管的最大承压能力和间隔分布，每个规格软管分别设置三个压力下激励特性测量点，待每个测点压力稳定5分钟后再施加激励，记录软管的振动衰减曲线。

图10 加压下软管激励试验

首先对a-1软管进行加压激励试验，三个测量点压力设置为9 MPa、18.5 MPa和21 MPa，将振动衰减曲线进行归一化处理，从图11 可以看出，充液加压后，软管振幅衰减变慢，振动时间大大增加，而管内压力对软管激励振动影响比较小。

图11 压力载荷下a-1软管振动衰减曲线

对六个型号软管进行了压力载荷下激励响应分析试验，从每种规格软管压力载荷下激励测量点选取一个，并且和空载下激励特性进行对比。从图12可以看出，软管内部施加压力载荷后，在单次激励下，软管振动幅值衰减放缓，时间增长，均超过4 s，不同规格软管振动曲线分散较大，说明在压力载荷下，管径对软管固有频率的影响较大。

图12 压力载荷下软管振动衰减曲线

不同压力下软管1 阶固有频率结果如图13 所示，当软管内部施加压力载荷后，软管的固有频率较未施加压力载荷情况下呈大幅度下降；随着压力载荷的增加，管道振动频率呈小幅度增加趋势。由此得到，在对管路进行减振设计时，应将液压油质量作为影响管道振动特性的重要因素，而可以忽略压力的影响。

图13 软管在不同压力载荷下的1阶固有频率

2.3 软管阻尼比

根据上述钢管和软管单次激励试验得到的振动衰减曲线，可以计算出每个载荷工况下的阻尼比。在空载工况下，七种规格钢管的阻尼比在0.005 0～0.007 5之间，而软管的阻尼比比钢管大得多，在0.03～0.065之间。从图14可以看出，波纹软管的阻尼比要大于光壁软管，加入液压油后，软管的阻尼比均减小，随着压力载荷的增大，阻尼比变化比较小，说明液压油压力对软管阻尼比的影响较小。

图14 软管阻尼比

3 压力载荷下软管应变试验

为了进一步分析软管结构变化导致的振动特性改变，设计了应变测量试验。软管相当于一个圆柱压力容器，在内部受到压力时，会产生轴向应力和周向应力，测量的应变能够反映软管在压力载荷下的变形状态。

在软管橡胶层表面间隔相同距离的三个测点分别沿轴向和周向贴上应变片，软管一端自由并且用堵头堵住，另一端固定并且和液压装置相连，如图15所示。

图15 压力载荷下软管应变测量设计

试验中，液压装置始终和软管一端保持连接状态，向软管内部通入的液压油给软管内壁施加一个压力载荷，压力从0 逐步升到1.5 倍最大工作压力，在每一个增压步下设置一个应变采集点，软管内液压油的压力稳定5分钟后再进行该点压力下的应变数据采集。

对a-2、b-1、b-2和b-4共四个规格软管进行了压力载荷下的应变测量试验，软管三个测量点的周向应变和轴向应变随着压力变化的关系如图16所示。

从图16可以看出，在软管一端固定及一端自由的边界条件和管内静压力载荷条件下，1、3、5周向应变或2、4、6 轴向的应变基本呈现出一致性，且应变以轴向为主,说明软管变形沿管长分布是比较均匀的。同一个软管的轴向应变和周向应变相反，与文献[14]中软管受压变形理论相符合。管路充液加压后，软管轴向受到拉应力，软管结构的弯曲刚度变大，导致软管的固有频率下降。

图16 软管压力载荷下应变特性

对于b-1、b-2 和b-4 波纹结构软管，随着压力的升高，轴向应变呈逐渐增大趋势，而周向应变变化比较平稳，先增大后趋于不变。

4 结语

本文对七种规格聚四氟乙烯软管和钢管进行了激励振动试验，以及软管在充液加压下的振动试验和应变测量试验，得到了软管在不同工况下的固有频率数据和软管应变随压力载荷变化的曲线，可以得出以下结论：

（1）空载单次激励下，钢管1阶固有频率随内径增大而减小，而波纹软管的1 阶固有频率与管径呈正相关关系；相较于钢管，软管的固有频率要小得多，而阻尼比要大得多。

（2）加入液压油后，软管固有频率和空管相比大幅度下降，阻尼比也大幅度减小，而随着压力的升高，固有频率和阻尼比变化比较小。因此，管道介质是影响管路振动特性的重要因素，而介质压力基本不影响管路振动特性。

（3）一端固定一端自由边界条件下，充液加压软管，呈轴向伸长且径向收缩的变形状态，软管应变以轴向为主。随着压力增大，软管应变呈现非线性变化规律，拉应力引起的弯曲刚度增强，导致固有频率的下降。