某型飞机发动机振动值增大故障分析

刘智鑫

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

一、引言

航空发动机是现代飞机的“心脏”，它工作在高压、高温和高负载的恶劣环境下，发动机的好坏直接影响飞机的安全性和可靠性。航空发动机由于其高速运转的特点，需要保证发动机工作在规定的振动值内，以保证发动机使用安全。发动机的任何早期机械故障都可以通过振动值的骤增表现出来，对发动机振动量的监视，可以达到延长寿命和提前发现故障，及时采取措施，防止故障扩大、造成事故之目的。

二、振动监测系统原理

发动机的振动现象比较复杂，主要是发动机工作时受到各种激振力所致，例如负荷不平衡引起的激振力、转子不平衡的机械激振力、燃烧不均匀产生的气体激振力等，其中发动机转子不平衡的机械激振力为主要振源。

振动传感器、振动电子部件和发动机指示/空勤告警系统共同组成了飞机发动机振动监测系统，振动监测系统在某型飞机上的工作原理框图见图1。当被测发动机的振动量值超过安全临界点后，振动电子部件发出“振动增大”告警信号;当发动机的振动强度达到危险振动点时，发出“危险振动”告警信号，振动速度监测系统便自动接通告警系统，提醒飞行人员及时采取措施。振动监测系统不断地对发动机的振动值进行测量，转换，显示及告警来实时监测发动机的状况，飞行人员通过发动机指示/空勤显示器所显示的发动机信息随时掌握发动机振动情况，以保证发动机处于安全可靠的工作状态。

（一）振动传感器

振动传感器用于在飞行或地面条件下测量航空发动机的振动参数，当传感器壳体随发动机一起振动时，其内部活动系统则保持在相对静止的位置上，能确切地反映出发动机的实际振动。

某型飞机所使用的振动传感器属于电动式传感器。电动式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线中的感应电势输出，它的工作不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出。电动式传感器的优点是灵敏度高，输出功率大，性能稳定，输出阻抗低。振动传感器是一个平衡块(永久磁铁)，平衡块被安装在带有线圈的传感器壳体内，并将作用在水平或垂直方向上的振动速度以与振动速度成比例的电压形式输出。由于振动传感器制造过程中造成的灵敏度的不一致性，因此，为了保证发动机振动指示的准确性，减少指示误差，行之有效的方法之一就是传感器与振动电子部件在飞机上安装时，通过地面振动检査装置进行校准，消除由于传感器灵敏度的不一致性而引起的指示误差。

（二）振动电子部件

在飞机上，振动传感器与振动电子部件配套使用。传感器将所感应出的电动势电压发送到电子部件上，振动电子部件用于对发动机的垂直或水平方向的振动速度传感器输出信号(感应出的电动势)进行处理和放大，实现其振动速度与加速度、位移、振幅之间的相互转换。振动电子部件有较高的输入电阻，其目的是减轻对振动传感器工作和输入调整电路的影响，振动电子部件内部含有电压跟随电路、滤波器电路、比例放大电路和检波电路，并使振动速度放大器的频率特性响应在发动机振动的主要频率范围，从而减弱其他因素所产生振动的影响。

三、故障分析

（一）故障现象

某型飞机飞行时出现左发动机的后支点振动值偏大的情况，有时达到注意级告警值。通过近三年在试飞站接触与发动机振动值增大相关情况可以将故障分为:线路故障、振动传感器故障、振动电子部件故障、后挂点安装不到位、发动机自身振动值大、后吊挂梁结构动力特性设计不合理。而通过与发动机相关专业工艺及设计部门讨论发现发动机振动值增加的大部分原因是成品故障造成。

对于成品故障制约生产周期的现状，对库存量一定的前提下进行改善，制定出如下解决

措施：1.面对故障时，联系工艺、设计等技术部门与厂家进行故障分析及讨论，反映故障发生的条件及情况，厂家技术部门进行成品比对，找出共性问题或个性问题，通过实验改进，并反馈至机务操作人员，再次面对故障时能做到及时定位压缩了故障品返厂后的排故时间。2.对近20 架批产飞机进行故障汇总分析，对故障在不同工作状态下报出的情况进行梳理汇总。找出故障率偏高的成品进行汇总比对。将飞机在执行不同飞行任务时所处所出现的故障收集并建立台账后与成品供应室提前协商，在资源有限的条件下进行合理分配，做到提前预警的效果，避免措手不及的状况发生。3.对不同批次发动机出现的故障进行汇总。找不同批次发动机的成品故障进行比对。做好日常的成品维护工作，并进行通电检。4.采取给后吊挂梁增加配重，经发动机试车各状态检，后挂点振动值在规定的振动值内，检査发动机振动值，通过比对验证后吊挂梁结构动力特性设计存在不合理问题。

（二）故障树

根据故障现象，结合系统原理，采用故障树分析方法对本次故障进行分析，见图2 所示。信号类故障首先判断左发动机的后支点振动值大故障是真实还是虚假。如果为虚假，则应该定位为线路故障、振动传感器和振动电子部件故障。如果为真实告警，要么就是发动机自身振动值大，要么就是现有结构挂点安装存在不到位问题，要么就是其挂点结构设计不合理等问题。

（三）故障树排査

1.线路故障（X1）。相继对振动传感器及其安裝情况进行了调整、对振动测量系统及其连接电缆插头进行检査，并通过地面振动检置对振动传感器和振动电子部件交联工作时的灵敏度及输出电压进行了检和调整，均不存在问题，排除线路故障。2.振动传感器故障(X2)。更换振动传感器，并在左发动机后振动点外接传感器并通过频谱分析仪进行测量，测得数据显示，发动机后振动传感器与外接的传感器采集得到的信号基本一致，故障依然存在，排除振动传感器故障。3.振动电子部件故障(X3)。对振动电子部件进行功能试验，判定其能实现正常滤波。并结合更换振动电子部件，故障依然存在，排除振动电子部件故障。4.后挂点安装不到位(X4)。通过正常调整方法调整发动机后挂点安装点，结果故障依然存在，排除后挂点安装不到位故障。5.发动机自身振动值大(X5)。通过大量排査工作和地面试验验证，振动值偏大主要集中在后悬挂点，原因应是发动机本体振动与安装架在激励作用下会出现耦合振动。通过对与发动机后点振动测量有关的各个系统的测试数据分析，以及查阅发动机履历本参考振动，排除发动机本身故障等可能原因。6.后吊挂梁结构动力特性设计不合理(X6)。通过频谱分析仪对振动信号进行测量分析，发现发动机后吊挂梁结构动力特性设计不合理，与发动机转速频率容易发生共振，导致后吊挂梁振动偏大，造成发动机后点振动值超过正常限制值，此底事件不能排除。

（四）验证试验

为了使惯性系统的固有频率低一些，根据公式ω2=K/m 可说明，当质量m 值较大，刚度K 值较小，则频率ω 较低。因此，提出发动机振动值大问题的改进意见，采取给后吊挂梁增加配重的方法，可减少后吊挂梁振动频率，避免后吊挂梁与发动机转速频率共振。采取给后吊挂梁增加配重，经发动机试车各状态检査，后挂点振动值在规定的振动值内，从而解决了左发动机后支点振动值偏大问题，进一步说明后吊挂梁结构动力特性设计存在不合理问题。

四、结语

结合系统原理，使我们对振动传感器、振动电子部件及振动监测系统有了更深的了解。通过故障树分析和排査，确定了发动机振动值增大的原因，并发现后吊挂梁结构动力特性设计存在不合理问题，并提出改进意见，即增大给后吊挂梁增加配重。针对改进意见，通过试车验证，再次印证后吊挂梁结构动力特性设计存在不合理问题。机务在日常工作中，通过振动监测系统，随时监视发动机振动值，及时判断故障，预报早期损伤，以保证发动机的安全使用进而确保飞机安全以及飞行任务的顺利完成。