中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司服务保障部 辽宁沈阳 110000
摘要：航空发动机是飞机的“心脏”，长期以来，一直是工程科技界亟待突破的关键设备。发动机在高速、高温、高载荷作用下，转子系统会发生变形、磨损及同心度的变化，会使转子由于质心偏离旋转中心引起振动，进而导致整机振动大。不平衡是发动机振动产生的主要原因，其中质量不平衡引起的振动故障是常见且危害很大的故障之一，容易造成发动机性能降低，缩短在役时间，严重地造成轴承、叶片损坏、动静碰摩等故障，导致发动机提前返厂。
关键词：航空发动机振动抑制；自动平衡技术;发展综述
1航空发动机自动平衡技术的发展
自1877年第一台自动平衡器在美国问世已来，自动平衡装置得到广泛的重视，品种越来越多。归纳起来可分为三大类,第一类是从质量方面着手，通过加重去重方法直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，称之为直接在线动平衡装置，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。第二类是采用力的方法，即给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，当圆盘旋转时，将其重心强行拉到旋转中心，称为间接在线动平衡装置，如采用电磁轴承方法及电磁圆盘方法等。第三种是通过某种方式改变平衡头(盘)内部质量分布(不加重,也不去重)，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行，称这种平衡装置为混合型在线动平衡装置。在线动平衡装置的分类情况如图1所示。
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图1在线自动平衡装置分类图
1.1直接在线自动平衡装置
1.1.1喷涂型在线动平衡装置。这是一种加重式在线自动平衡装置，装置原理图如图2所示。
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图2喷涂型自动平衡装置
通过喷射枪将高粘度物质喷射到转子上，改变转子重心位置，实现转子动平衡。1980年Cusarow提出了此方法。1987年Smalley等人采用计算机控制喷枪喷射的时刻和时间，增强了该方法的实用性。这种平衡方法存在的问题是高粘度喷射物质以高速喷射并粘附在转子上，根据mv＝ft，在很短的时间内产生较大的冲击，使转子产生新的不平衡量，喷射物质粘附在转子上,严重影响转子表面质量，此外，喷射速度限制了转子的旋转速度，这种平衡装置一般用在小型旋转机械或精密仪器制造生产线上。
1.1.2喷液型在线动平衡装置。这也是一种加重式在线动平衡装置。在转子端部装上喷液平衡头。根据所测到转子振动信号，由单片机或微机控制喷枪，将液体喷射到平衡头上相应的容腔中，以改变平衡头的重心位置，达到在线动平衡。浙江大学等单位在这方面已取得实质性的突破，平衡效果较好。目前这种平衡装置已用到磨床上，但该装置存在一些问题：①由于容腔容量有限，平衡能力受到限制。②容腔中液体挥发，影响平衡精度。
1.1.3激光去重在线动平衡装置。如图3所示为激光去重在线自动平衡装置。通过控制脉冲激光束的发射时间、脉冲宽度及能量大小，使转子材料在微秒量级时间内气化，改变转子的几何中心，从而对转子系统进行动平衡。80年代初期Memuth等人研制出这种平衡装置。这种方法易于控制，平衡精度高。但也存在一些问题：①通过激光束使转子上的金属气化，留下许多伤痕，降低转子的疲劳极限，缩短了转子系统的使用寿命。②平衡过程中产生飞边、毛刺和氧化物，严重影响表面质量。③金属气化过程中，金属微粒以蒸汽的形式散在空气中，污染环境，危害人体健康。④由于激光束短时气化微量金属，平衡能力受到限制。所以，激光在线动平衡对于汽轮机组、大型压缩机等巨型转子系统的平衡是不适用的，一般只适用于小型机构的平衡，如牙钻、陀螺仪等。
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图3激光自动平衡装置
1.2间接在线动平衡装置
这种装置是在平衡头(盘)上加上与不平衡离心力大小相等、方向相反的力，抵消不平衡量，达到转子系统的动平衡。主要包括电磁轴承型在线动平衡及电磁圆盘型在线动平衡。这类装置的平衡原理基本一致，通过变频器在电磁轴承处或平衡圆盘处，长期为转子系统提供与转子旋转角速度相同频率的平衡电磁力，实现转子系统的在线动平衡。它有一个严重不足，就是转子在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期运行的旋转机械来说，能耗大。另外，这类平衡装置结构复杂，几何尺寸较大，而且成本高，一般用于不长期运行的小型旋转机械。
1.3混合型在线动平衡装置
目前国外技术比较成熟而且应用广泛的有电磁式自动平衡和液压自动平衡，电磁型自动平衡装置主要由以下三个部分组成：检测器、控制器和平衡执行机构。平衡执行机构是由与机壳连接的静环和连接在旋转轴上的动环组成。这种自动平衡系统控制原理是基于影响系数的自适应主动闭环控制。自适应影响系数控制系统在机器旋转时，精确快速地调节配重盘的位置，可以在数秒内完成多平面上的不平衡质量校正，实现在线自动平衡。在美国、欧洲机械加工领域的高速机床主轴等领域推广应用，取得了巨大的经济效益。而液压自动平衡系统主要由四个部分组成：被控转子、信号采集器、控制器和执行器，当被测转子产生不平衡量时，由振动传感器检测到的振动信号送入A/D转换器中，进行峰值采样，输送到控制器内。如果采样值大于控制器内部设定的门槛值，则控制器向电磁阀发送信号，开始喷液平衡；控制器根据得到的不平衡量的大小和相位值计算出阀门单元的三个电磁阀各自所需的开启时间。冷却液泵将经过预过滤器的冷却液输送到阀门单元上，通过喷嘴单元将冷却液喷入平衡容器里，实现不平衡量的补偿。
2自动平衡技术的研究趋势
1）结构设计。自动平衡系统作为发动机减振降噪的功能部件，在结构设计上其自身应该以轻量化、高稳定为目标，减少结构质量和零件数量，符合发动机系统整体的结构要求。
2）控制策略。研发符合发动机多变复杂工况下的自动平衡控制策略，需充分结合智能检测和控制方法，进行振动信号的不平衡辨识，以保证自动平衡系统有效运行。
3）系统集成。发动机自动平衡系统需进一步提高自身结构和控制系统的集成度，开发集成的脉冲供电模块和振动信号采集和处理模块，简化配置，提高稳定性。同时，也应该高度重视与发动机整体结构设计的切合度。
结语
我国自20世纪90年代开始出现自动平衡研究，从结构设计、控制算法方面开展了一些基础性理论及试验研究，但至今未有工程应用。鉴于发动机是个非常复杂的系统工程，展望我国发动机自动平衡技术的发展前景，科研机构还需重视应用研究，逐渐积累自动平衡研究成果，与发动机设计单位紧密配合，争取在发动机设计研制初期同步考虑自动平衡配置，为早日实现发动机自动平衡做好准备。
参考文献
[1]姜广义,王娟,姜睿.航空发动机风扇机匣振动故障分析[J].航空发动机,2011,37(5):38-40,44.