航空发动机整机振动故障及其处理技术

李让

中国航发南方工业有限公司 湖南株洲 412002

1 航空发动机整机振动故障机理

航空发动机各种激励振动影响发动机整机振动，由于发动机结构复杂，安全性能要求更高。信号是信息的载体，需要转化为传输媒质能接受的信号形式，振动信号分为连续信号与离散信号，振动是动态量，航空发动机是复杂的机械装置，其振动信号形式非简谐振动。

航空发动机振动分析不能脱离高低压转子转频，通过对振动信号进行傅里叶变换，能将复杂振动信号频率分量幅值进行简单处理。频谱分析为故障诊断的基本工具，人们可以采用小波分析法进行频谱分析，确切地诊断故障类型。不同故障对应的频率特征不同，多种故障频率具有很强的相似性。将振动信号对时间求导能得到振动速度与加速度。振动位移与加速度信号频率相同，振动速度幅值为位移和频率平方乘积。振动速度相位滞后振动加速度相位90°，运用性质不同的振动信号诊断故障，故障相同时表现出不同特征。

故障诊断建立在深入的特征提取基础上，通过检测得到机械运行信号，包含系统状态信息。人们需要采用多种手段对信号进行处理，选择对工况状态敏感的特征参量进行发动机设备故障诊断，判断特征分析结果是否可靠，特征分析方法包括信息处理技术手段，如数字信号处理、图像识别等。信号时频域思路是设计时间与频率的联合函数，频域分析方法提供时间频域率联合分布信息。振动在发动机故障中占很大比重，振动反映设备监控状况，发动机等旋转机械正常运行使振动值较小，振动值变大说明设备出现故障[1]。

2 航空发动机整机振动的原因分析

2.1 转子不平衡

在航空发动机中转子不平衡是造成故障十分重要的原因，在这之中导致转子不平衡的原因不仅仅同结构和材料之间密切相关，也同制造以及转配有着一定的影响。密度作为物质的属性，因此就会造成转子不平衡因为为密度不均匀，在其内部存在着较大空隙。同时其在结构上也会存在着较大的误差以及偏差，比如所指令不均等的问题，装配上有着缺陷问题就会严重影响到转子不均衡，在进行装配中会有中心倾斜问题，并且因为温度的影响，也会导致转子出现不平衡问题，进而对发动机振动产生一定的影响。

2.2 噪声

噪声主要是通过发声体无规则振动过程中出现声音，通常对噪声的定义是高于20000Hz，并且对发动机而言，出现噪声的根本原因为风扇以及燃气流，发动机进行运转的过程中，燃气流和风扇也处于运动中。在这之中风扇进行高速运转，就会出现一定的噪声。发动机在实际工作中也会出现排气噪声，就是同排出的气体同空气之中大气接触，出现了连续噪声。发动机因为振动出现噪声。最受影响的是波比件结构，连续出现的噪声机会导致结构出现磨损，出现损坏的问题[2]。

3 加强航空发动机诊断维修工作

3.1 表层简易诊断方法

该方法主要是针对一些比较轻的发动机故障类型，指的是在航空发动机运行中，对于发动机做好简单的诊断以及判断，可以帮助飞行员精准掌控飞行器的实际运行情况，再出现一些个别情况时可以较快发现问题。诊断通常是检测发动机之中一个特定的零部件，检验特征参数是否正常，飞行状态的情况，一旦测量结构在其制定的参数范围中，那么发动机系统测定就是正常运行，一旦发动机连续在进行简易的表层测定以及定时监测时，那么就可以较为轻松得到发动机运营趋势的规律，因此数据就可以作出相关的故障预测，在必要时可以做好语音预报。从总体上来说，简易诊断方法的优势为仪器简单，操作便捷，对监测员的技术要求总体不高，作为一种初步检测方法。

3.2 发动机模型故障诊断方法分析

发动机在建造组装前会应用模型来做好性能测试工作，除了多个大小不同外，在结构、性能、零件组装以及工作原理上都一致。所以应用发动机模型做好故障的诊断排查，可以比较快找到问题的根源，可以直接对实体发动机进行维修。并且此种诊断方法也被称之为理论知识诊断法，此种方法对表层简易诊断法来说较为精准，有着较强深度，不仅可以解决理论知识层面的情况，也会解决实践操作的问题，所以此种在实际中得到了深入的研究和探索。

发动机模型故障诊断方法的优势为可以从模型的实际运行情况来感知实体发动机在以后使用中出现的相关问题，不要求较多的经验和案例。但是该方法也有着一定的两面性，其中存在的不足为模型系统仿真效能较为复杂以及庞大，诊断速度同诊断法之间比较总体较慢，因此要求诊断精度比较高，那么在诊断过程中会存在着一定问题。所以，发动机故障诊断法也是目前研究的重点和热点。

3.3 基于小波的发动机整机振动故障诊断

采用加速度传感器对涡扇发动机各部位进行振动信号采集，测点选择必须代表发动机整体振动状态。频域和时域构成观察信号方式，信号频域表示信号在频域的特征，FFT 是整体比变换，功率不能显示某种频率分量出现变化，大部分信号非平稳，信号在时域的全局特性不够，小波是有效的时域分析方法。小波包变换需要根据振动信号特点选取小波基，选择不同小波基对信号处理，得到的结果存在很大差别。常见小波基函数不能应用振动信号分析处理。选择支集长度在5-9 内的小波，支集过长会产生边界问题，过短不利于信号能量集中[3]。

4 结语

航空发动机具有着外部美观精细化，内部较为复杂，存在最大的问题为安装以及拆卸等工作，在发动机应用过程中，必须注意到监测转子不平衡和出现噪声情况，第一时间处理相关问题，保证航空发动机可以安全、科学运行。