发动机振动值增大问题分析

陈 智 黄尚友

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）

航空发动机作为飞机的核心动力单元，其稳定性和可靠性对飞行安全具有决定性影响。由于发动机结构复杂且需要在高速旋转状态下运行，发动机内部的振动现象无法避免。事实上，大量数据表明，超过90%的发动机结构强度问题与振动有着直接或间接的关联。为了确保航空安全，对振动进行实时监控尤为重要。现代飞机已经装备了高级的监测系统，允许飞行员通过综合显示界面实时查看发动机的振动状态。为了进一步提升飞行安全性，飞机上还设有振动预警系统。当监测到的振动值超过安全阈值时，系统会自动触发告警，确保飞行员能够迅速做出相应决策，从而最大限度确保飞行安全[1-2]。

1 发动机振动值增大的原因分析

涡轮风扇发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等组成，引起发动机振动的原因通常可以分成两种情况。一是与转子转速有关的规律性振源。涡轮和压气机作为发动机的旋转件，是发动机的主要振源，振动通过轴承和发动机承力机构传递至发动机，引起发动机的整体振动。承力机匣的振动主要由转子损伤后的不平衡引起的激振力造成，同时由于承力机匣是发动机的传力结构，其他振源，如风扇、叶片、轴承、气流和噪声等引起的振动也会通过承力机匣传递到发动机的外壳。二是与转速无关的非规律性激振力。此类振源较复杂，出现的形式和概率也不一样，如压气机喘振、振荡燃烧等。另外，发动机安装至飞机后，安装架与发动机本体频率接近时也易放大振动响应导致结构共振。

在使用中，为监控发动机的振动值量级，一般会在发动机前后安装面上分别安装振动传感器，以检测发动机在垂直方向的振动速度。垂直方向的振动往往与发动机的工作状态、负载变化、结构健康等因素密切相关，因此对其进行实时监测能够及时发现异常情况，防止出现潜在的故障。振动传感器一般利用压电效应或其他传感原理，将振动能量转化为电信号。这些电信号经过处理后，可以为操作员或维护人员提供有关振动大小、频率和模式的实时数据，帮助他们判断发动机的运行状况。

1.1 发动机转子损伤导致的不平衡

运转良好的发动机，当转子以恒定的角速度旋转时，其几何中心、质量中心和旋转中心基本重合。但是，在转子制造和装配过程中不可避免会存在误差，导致转子旋转时受到离心力的作用而产生振动。若该振动量值在设计容许范围内，则不会影响发动机正常工作及使用。当发动机转子意外损伤时，会破坏其平衡状态，导致发动机振动值异常增大，不仅会加速其他部件的磨损，还可能导致发动机出现故障。因此，当发现发动机振动值增大异常时，应立即停机并进行详细检查，确定振动的具体原因。可能的原因包括转子裂纹、变形、磨损或其他部件的干扰[3]。

1.2 发动机安装架与发动机本体频率接近引起振动响应放大

排除发动机本体部件损伤等引发的振动值增大问题后，则需要考虑安装因素导致的振动问题。由于结构布局形式受限，一些飞机采用机身侧壁悬壁吊挂梁的形式安装发动机，如图1 所示。在这种安装形式的工程应用中，由于安装架与发动机本体频率接近，容易发生发动机振动值突变增大的问题。

图1 悬壁吊挂梁形式发动机安装架

1.2.1 振动测试

为确保飞机的安全性和乘坐的舒适性，对飞机发动机及其相关部件进行振动测试成为必不可少的工作。文章详细论述3 种振动测试的内容及方法。

第一，地面开车情况下后梁振动测试。在飞机的地面运行阶段，发动机处于工作状态时的振动情况非常重要。后梁作为发动机的支撑结构，其振动状态直接影响飞机的稳定性和乘客的舒适感。测试时，将振动传感器安装在后梁的关键位置，如连接处、支撑点等。启动发动机，让其在不同的转速下运行。通过数据采集设备收集振动数据，并进行频谱分析，找出显著的振动频率，分析振动原因是否与发动机的某些特定工况相关。

第二，发动机台架振动测试。发动机台架是发动机的载体，其振动状态直接反映了发动机的健康状况。因此，对台架的振动测试非常必要。测试前，在台架的关键部位安装振动传感器。通过专用的测试台模拟发动机的各种工况，如起飞、巡航、降落等。收集振动数据后，对比不同工况下的振动情况，找出可能的振动源，如不平衡的旋转部件、损坏的零件等。

第三，后吊梁结构振动测试。后吊梁作为发动机的吊挂部分，其结构振动对飞机的稳定性有很大影响。测试时，在后吊梁的各部位安装振动传感器。使用外部激励设备，如冲击锤、电磁激振器等，对后吊梁进行激振。通过数据采集设备收集振动响应数据，并进行模态分析，找出后吊梁的固有频率和振型。分析数据，找出可能影响后吊梁振动的因素，如连接方式、支撑结构的刚度、发动机的振动输入等[4-5]。

1.2.2 测试结果

第一，地面开车情况下后梁振动测试结果。根据飞机发动机地面开车情况下后吊梁振动测试结果，得出振动频率谱。后吊梁振动可看作后吊梁系统对发动机振动输入的响应。在一个多输入系统中，系统的响应是系统结构对所有输入的响应。响应的频率是输入信号的频率，如果输入的频率与系统频率接近，则该输入将会被放大。发动机振动输入至少在82 Hz、179 Hz 有分布，且后吊梁系统的某一个固有频率与这两个值相近。

第二，发动机台架振动测试结果。对发动机台架振动测试结果进行分析可知，500 Hz 频率内，在0.7 倍额定、0.9 倍额定以及额定状态下，发动机振动在68 Hz、103 Hz 以及178 Hz 左右有局部峰值，在起飞状态下发动机振动在81 Hz、181 Hz 有局部峰值。该频率与装机后发动机振动测试结果吻合。由此确定，在后吊梁连接位置有80 Hz、180 Hz 左右的垂向或者水平方向激励存在。

第三，后吊梁结构振动测试结果。后吊梁模态分析和地面振动模态测试结果表明，后吊梁固有频率为150 ～180 Hz，一阶垂向弯曲频率在176 Hz 左右。

1.2.3 原因分析

发动机的运作是复杂的动态过程，涉及许多旋转和往复部件的相互作用。发动机在运转中产生振动是常态，但当振动与某个结构的固有频率相匹配时，就可能导致共振现象。共振是指外部频率与结构的固有频率相近或相同时，结构的振动幅度显著增加的现象。根据测试数据，可以看到发动机在80 Hz 和180 Hz 附近有明显的振动峰值，而且180 Hz 与后吊梁170 Hz 时的整体模态固有频率接近，即发动机产生的振动能量可能会被后吊梁吸收，并在后吊梁中放大，导致更大的振动幅值。振动幅度的加大不仅可能损害后吊梁，还可能影响整个机构的稳定性和安全性。

在实际应用中，共振现象可能导致结构疲劳、零件损坏甚至机械故障。由于发动机和后吊梁之间的振动幅值增大，长时间的共振作用可能导致连接部位出现螺丝松动、焊点疲劳、材料疲劳裂纹等问题。这不仅会增加维护成本，还可能对飞行员和乘客的安全带来潜在威胁。更为关键的是，这种共振现象并不是持续存在的，它会随着发动机工作状态的变化而变化。当发动机处于某些特定工况时，共振现象尤为明显；当发动机工作状态改变，与后吊梁固有频率相差较大时，共振现象就会减弱或消失。这使得共振现象难以被及时发现，为飞行带来了安全隐患。

2 发动机振动值偏大的次生危害与监测方法

2.1 次生危害

发动机在振动偏大的环境下长时间运行，所带来的次生危害不可忽视。振动对于机械结构来说是一种破坏性力量，长期的振动暴露会导致机器零件过早磨损和失效。首先，轴承作为支撑转子的关键部件，是最先受到振动影响的部分。振动会导致轴承内部的滚动元件和滚道之间产生不正常的接触应力，从而加速磨损。而轴承的磨损会产生间隙，进而加大系统的振动，形成一个恶性循环。其次，发动机的转子和叶片都工作在高速旋转的条件下，每个旋转周期都承受很大的应力。持续的振动可能导致材料疲劳，使得转子和叶片出现微小的裂纹。一旦形成裂纹，在连续的应力和振动作用下裂纹会迅速扩展，降低部件的整体强度。最后，如果叶片出现断裂或掉块，断裂的材料在高速旋转时会撞击其他叶片或发动机内部结构，不仅会导致进一步的机械损伤，还可能造成发动机内部严重失效，如转子卡滞等，进而威胁飞行安全。

2.2 监测方法

2.2.1 振动监测

发动机的正常运行依赖各部分的稳定协同工作。但是由于各种原因，如部件的磨损、失衡、松动等，发动机可能会产生不正常的振动。这些振动如果不加以控制和管理，可能会导致部件的损坏和效率的下降，甚至造成整个设备的故障。为了及时发现并处理这些潜在的风险，许多发动机都安装振动传感器实时监测振动。

振动传感器能够检测发动机的振动量级，并将其与预设的标准值进行对比。当传感器检测到的振动值接近或达到预设的告警值时，系统会自动发出振动增大注意级告警信息。此预警机制能够提醒操作人员或飞行员注意发动机的状态，并采取相应的应对措施。当振动值超过某一危险阈值时，系统会发出危险振动警告级告警信息。这意味着发动机已经进入不安全的工作状态，需要立即采取措施，如减少发动机负载、关闭发动机或进行应急降落。实时振动监测信息不仅可以帮助飞行员及时发现和管理风险，还可以为他们提供决策依据，确保飞机的安全运行。总之，振动监测技术在现代发动机中起到了至关重要的作用，保障了设备和人员的安全。

2.2.2 轴承间隙检查

轴承是发动机中的关键部件，其状态直接影响发动机的运行效率和稳定性。随着长时间的使用，轴承可能会出现磨损，导致其间隙发生变化。如果不及时检查和维护，可能会导致发动机的不正常振动。定期进行轴承间隙检查是预防这种情况的有效手段。测量并监测轴承间隙的变化，可以提前了解轴承的磨损状况。当发现轴承间隙超出正常范围时，可以采取相应的措施，如更换轴承或进行维修，从而避免振动引起的发动机损坏。

2.2.3 润滑油油样监测

润滑油在发动机中起到润滑和冷却的双重作用，是确保发动机部件正常工作的关键。随着发动机的运行，部件的磨损会导致金属微粒进入润滑油。因此，对润滑油油样进行定期监测成为预测和评估发动机状态的关键步骤。检查润滑油油样，可以检测到油中的铁、铜等金属微粒。这些金属微粒的数量和种类可以为相关工作人员提供发动机内部磨损程度的宝贵信息。例如，铜的含量增加可能表示轴承的磨损，而铁含量的增加则可能表示气缸或活塞环的磨损。发动机的不正常振动可能会加速轴承和其他运动部件的磨损。通过监测润滑油中的金属微粒，可以提前发现加速磨损的迹象，从而采取预防措施，如调整发动机工作参数或更换磨损部件，从而避免进一步的损坏。

3 发动机振动调整方法

与转子转速有关的规律性振源引起的振动，在外场无法通过调整的方法进行消除。针对工程应用中由安装结构共振造成的飞机发动机振动值增大问题，可采用3 种方法解决。第一，提高后吊挂梁固有频率。由于需要提高结构刚度质量比，在现有安装结构大布局不改变的前提下，很难实现。第二，降低后吊挂梁固有频率。可以在结构振动响应幅值较大的部位增加配重。第三，增加后吊挂梁结构阻尼或改变结构边界条件。可以安装可调节的辅助拉杆，增加阻尼和改变相关结构边界条件，以达到降低结构振动响应的目的。

4 结语

飞机发动机的振动问题一直是航空工程师们关注的焦点。通过深入研究发现，发动机振动值增大有多种原因，而由安装因素所引发的振动增大问题尤为关键。错误的安装方式或者不精确的结构设计都会导致发动机与其安装结构之间产生共振，从而增加振动值。这种现象不仅影响飞机的正常运行，还可能给飞机的结构安全带来隐患。因此，必须对发动机及其相关组件的设计、制造和安装过程进行全面、细致的审查和优化，以确保发动机的稳定运行，减少因振动造成的潜在风险。