航空发动机液压管路系统振动机理及故障诊断研究

邢澜清

摘 要：航空发动机在运输工具运行稳定及安全性等层面起到至关重要的作用。液压管路系统振动会严重地影响航空发动机的运行效果，引起航空发动机故障。本文在阐述航空发动机液压管路系统振动基本状况的基础上，就航空发动机液压管路系统振动故障的作用机理展开分析，并指出這些故障的诊断方法，期望能进一步控制消除航空发动机液压管路系统振动问题，提升航空发动机运行质量，确保飞机运行的稳定性、安全性。

关键词：航空发动机;液压系统;振动;机理分析;诊断

引言

液压管路系统振动是航空发动机故障的重要影响因素，其严重地阻碍了航空发动机运作性能的发挥的，对航空发动机的应用效果造成较大影响。从航空发动机运作条件来看，液压系统振动与诸多因素有关。新时期，人们对航空发动机的应用效果提出了较高要求，有必要深化航空发动机液压管路系统振动机理研究，实现航空发动机液压管路振动故障的有效处理。

1 航空发动机液压管路系统振动基本情况

航空发动机是飞机的心血脏，其能将其他形式的能转化为机械能，对于运输工具的行驶具有积极作用。从结构组成来看，液压管路是航空发动机附件系统的重要组成，其为燃油、滑油等介质的输送中提供了稳定途径。在一定程度上，航空发动机液压管路直接关系着航空发动机的运作效果。

因功能差异影响，航空发动机的液压管路在粗细、长短、走向上有较大差异，这些管路工作环境复杂，在实际运作中，一些管路容易因振动出现断裂及管道街接头故障等问题，威胁飞机的飞行安全。有研究显示，在因航空发动机故障的所有空停事件中，管路、导线和传感器失效引起的空停事件占到50%，其中，外部管路断裂故障占到空中飞行结构故障的52%，这些管路中有较多管道为液压管路，其因振动而损伤，对于飞机飞行安全具有深刻影响。对此，在航空发动机运行中，应重视液压管路系统振动问题的诊断及处理[1]。

2 液压管路系统振动机理分析

基于对系统激励类型差异，可将振动分为自由振动、受迫振动、自激振动及参数振动等诸多类型[2]。当航空发动机液压管路发生振动时，应从受迫振动、自激振动两个层面进行深入分析。就液压管路系统受迫振动而言，其振动问题与外界或内部的周期性、随机机械载荷及流体载荷有较大关系;管理自激振动多会发生振动失稳，其多和流动介质与管路的运动相耦合有关。

深层次分析航空发动机液压管路振动源，能为液压管路振动问题的控制奠定良好基础。引起航空发动机液压管路振动的原因具有多元性的特征。

2.1因转子不平衡力和流体的脉动压力而引起振动

航空发动机液压管路系统发生振动时，需首先考虑转子不平衡力和流体的脉动压力的作用关系。其中，当转子出于失衡状态时，其会出现一定的不平衡力，由此引起液压管路系统振动问题。分析转子动作过程可知，离心力对转子轴承施加速度、力是转子失衡的重要原因，在离心力的作用下，转子有回转中心的质量分布不均匀，致使自身出现了静失衡、力偶失衡及动失衡三种状态。基于这一激励，在转子高速运动的情况下，去自身会产生不平衡力，且这种不平衡力具有周期性的特征。一般认为，不平衡量的大小和转速的高低决定了转子不平衡力的大小，当这种不平衡力作用于液压管路系统时，会对管路造成一定的激励作用，引起液压管路振动问题，振动激励频率（f）为航空发动机转子速度的1/60。

在供油泵作用下，输送燃油、滑油等流体的管路也会发生一定变化，这种变化会引起流体本身脉动压力的周期性变化。在管路的弯径处和变径处，这种脉动压力会对管理形成激励作用，引起液压管路系统振动。研究显示，流体脉动压力的激振频率为泵齿数与泵转速乘积的1/60。

2.2因卡门旋涡引起的振动

航空发动机运作过程中，若液压管路系统本身的结构较为复杂，这极有可能出现卡门旋涡，卡门旋涡会引起管路振动问题。研究卡门旋涡作用机理可知，选择均匀流场，在其中置入圆柱，这样从圆柱体的两侧流出互为交替的规则形涡街，并且在圆柱体的后面也会形成一对旋涡。卡门旋涡指出，在涡街稳定的情况下，涡街的宽度为0.281倍的涡街间隔。在航空发动机运作中，卡门旋涡会引起液压管路系统振动，且这种振动主要分为强迫振动和自激振动两种类型。

2.3管路自身的耦合振动

航空发动机液压管路起到输送燃油、滑油等流体的作用，在航空发动机运作及液压管路运行过程中，管路内流体与管路之间也会出现一些内在的耦合振动。从液压管路系统固定方式来看，其多是在卡箍的作用下，将管路固定在航空发动机壳上的。航空发动机运作过程本身会产生一定的振动，这种振动会通过卡箍使得液压管路强迫振动，同时管路输送液体具有一定流量、压力脉动差异，这种流量和压力脉动差异会对管路产生强迫振动影响。当两种振动频率接近时，会产生一定的耦合谐振作用，最终引起液压系统管路的振动[3]。

现阶段，面对液压管路系统自身的耦合振动问题，常用两种方式对其进行处理。其一，视固体振动为主振体，然后将流体看做是附连质量与系统振动，在建立振动模型求解时，可将流体作为系统阻尼而进行模型解算;其二，将流体和固体作为两个子系统进行分别解算，这样在动力学方程下，可通过模态综合或动态子结构等方式进行坐标缩减，以此来解决耦合谐振问题。

3 航空发动机液压管路系统故障诊断

步入新时期以来，交通运输工具发展迅速，人们对于飞机运行效果及出行安全提出了较高要求，在航空发动机运行中，应高度重视液压管路系统故障的诊断和处理。故障诊断是航空发动机液压管路振动故障处理的前提。现阶段，在航空发动机液压管路系统故障诊断中，常用的诊断方式包括：其一，在信号分析原理的支撑下，结合使用人工智能等方法进行故障的定性诊断，其二，在考虑航空发动机运作环境的情况下，建立液压管路物理、数学、控制或组合模型，以此来进行数学解算，达到故障诊断的目的。相对而言，信号分析结合人工智能诊断方式的应用较多;但在实际应用中，还应注重信号分析过程中无法全面反映管路振动特征、无法定量刻画故障程度等问题的处理，提升故障诊断的效率和精度，为航空发动机液压管路系统故障控制提供参考。

4 结语

液压管路系统振动影响航空发动机运行的稳定性，影响了人们交通出行的安全性。新时期，人们只有充分认识到航空发动机液压管路系统振动类型，深层次分析液压管路系统振动作用机理，并实施故障诊断和应对处理，这样才能有效控制液压管路系统振动问题，提升航空发动机运行质量，确保飞机运行的稳定性、安全性。

参考文献：

[1]寸文渊，赵正大，陈果，等.基于模态分析的某型飞机液压管路故障诊断[J].液压与气动，2019（5）：38-45.

[2]窦金鑫，薛政坤，于晓光，等.基于优化CNN的航空液压管路卡箍故障诊断[J].机床与液压，2020，48（16）：188-194.

[3]刘中华，李兴泉，贾铎，等.航空发动机液压管路裂纹故障分析[J].航空发动机，2020，46（5）：66-70