張天程　天津大學

　　調查顯示，我國國產飛機故障中約有50%是發動機引起的。航空發動機的故障類型十分復雜，總體上可分為性能故障、結構強度故障及附件系統故障。從我國航空發動機的故障統計中發現，發動機性能故障約占總故障的10%~20%，結構強度故障約占總故障的60%~70%。而無論哪種情況，故障的前兆和發展過程都體現在發動機轉子的振動上。

　　轉子系統是航空發動機的核心系統，一旦出現故障，小則影響工作，大則造成嚴重破壞性事故。因此，研究各種因素引起的航空發動機轉子系統的振動現象和機理，是航空發動機動力學研究的重要任務。通過研究，既可以為有效的故障診斷和控制提供理論依據，也可以為解決先進航空發動機自主設計中的關鍵力學問題提供動力學理論基礎。

　　航空發動機振動相關常見故障如下：

　　1.轉靜碰摩故障

　　由于追求高的推重比及低的耗油率，航空發動機的轉速越來越高，而轉子與靜子的間隙越來越小，這樣就加劇了轉靜子間的碰摩故障發生的概率。轉靜子間的碰摩一旦發生，將會使轉靜子間的間隙增大從而使其工作效率降低，嚴重時還會使葉片折斷。而封嚴結構與軸之間的碰摩會使封嚴結構損壞，并使軸局部發熱引起熱彎曲從而使振動加劇。同時，轉靜子碰摩將引起轉子發生非協調進動，因而在轉子內產生交變應力，促使轉子疲勞破壞。

　　2.不對中故障

　　基礎松動、安裝誤差、承載后的變形以及工作時的熱膨脹等因素，都會造成各軸系之間的不對中故障。不對中故障會引起轉子軸向和徑向交變力，從而導致轉子的軸向和徑向振動，進而引起軸承的磨損、軸的撓曲變形以及轉子與靜子間的碰摩等。

　　3.熱彎曲故障

　　制造、裝配中的不平衡和起動過程產生的熱彎曲，是引發航空發動機轉子產生較大振動的重要原因。轉子熱彎曲的產生，通常發生在發動機停車后的冷卻過程中，因自然對流換熱，轉子下部比上部冷卻速度快，轉子的上下表面存在溫度差而產生一定的熱彎曲，呈弓形狀態，從而產生較大的不平衡。當再次起動時，致使振動響應增大，乃至產生轉靜子的碰摩故障。

　　4.葉片振動故障

　　航空發動機轉子葉片工作環境惡劣，葉片共振、顫振引起的疲勞斷裂等問題，一直是發動機故障的重要原因。葉片振動嚴重時會導致葉片的斷裂和飛失，葉片飛失引起的突加不平衡，更會引起大的瞬態振動，往往導致轉子失穩、轉靜碰摩、葉片和軸產生裂紋、結構松動等一系列故障。

　　5.松動故障

　　承受長期循環交變載荷、振動作用下引起的彎曲疲勞和塑性變形后，發動機的連接螺栓會發生松動、脫落，導致支承剛度的不足和周期性改變，導致發動機轉子結構振動異常。松動故障也往往伴隨著其他故障，如不對中等。

　　6.疲勞裂紋故障

　　發動機轉子承受高溫、高速和突變載荷作用，容易產生疲勞裂紋，并不斷擴展直至引發斷裂。

　　7.滾動軸承故障

　　在航空發動機高速旋轉的壓氣機、渦輪系統中，滾動軸承仍是一個容易出現故障的部件。現場研究表明，大約有90%的滾動軸承故障與內圈或外圈的缺陷有關，其他10%與滾動體或保持架的故障有關。另外滾動軸承處存在強烈的非線性因素，為解決滾動軸承的故障，應深入研究其非線性動力學機理。

　　航空發動機轉子系統故障模式多、機理復雜，更重要的是各個故障往往不是單一存在，一個故障的產生通常會引發或伴隨著其他故障。多種故障的耦合以及非線性因素的存在，大大增加了動力學分析的難度，這為我們研究工作帶來了極大的挑戰和機遇。

（來源：漫步力學微信公眾號）