空军航空大学初级飞行训练基地第四训练团 辽宁锦州 121000
摘要：目前，振动疲劳寿命分析方法主要有2种：基于PSD的频域法和基于统计计数的时域法。时域法是一种传统分析方法，能得到比较准确的损伤估计结果，但需要采集长时间的数据信号才能准确描述一个随机振动过程，因此循环计数工作量大且效率极低。基于PSD的频域法不需要循环计数且计算数据量小，因此被广泛应用于机载设备的振动疲劳分析。本文针对某航空发动机维修过程中常见的机匣处电磁阀支架零件的疲劳失效问题，利用ANSYSWorkbench振动分析模块和n Code DesignLife中的频域法进行振动疲劳有限元仿真，根据分析结果对结构设计提出改进建议。
关键词：航空发动机；支架；振动；疲劳
引言
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是航空飞行的动力核心，其工作状态稳定与否直接影响着飞行安全系数。经过百余年的发展，航空发动机已逐渐发展成为较为稳定可靠的产品，且依照航空飞行的不同动力需求，拥有涡轮喷气发动机、冲压式发动机等多种类型。航空发动机虽然能够满足航空飞行需求，但仍旧存在小概率的安全隐患。基于当前的航空飞行实践经验可知，在航空飞行中发动机整机振动故障时有发生，整机振动故障影响发动机工作，同时影响到整个航空飞行的各种附件、仪表等参数的准确性。一旦发生发动机整机故障就需要进行维修、替换，大批量的发动机提前返场，不仅仅提升了飞机的造价标准，增加维修费用，更导致社会资源的浪费，因此做好对航空发动机振动故障的排查和控制至关重要。
1 Dirlik随机振动分析模型
基于nCode DesignLife软件的振动疲劳计算主要包括Lalanne、Narrow Band、Steinberg和Dirlik等方法，均利用统计学参数确定循环次数。Lalanne方法为软件默认方法，多用于军工系统；Narrow Band方法不论是否构成应力循环，都假定所有函数值为正的波峰后紧接一个对应的数值相等的波谷，因此其应用严重受限；Steinberg方法假定载荷循环符合高斯分布，累积损伤总和由1σ/2σ/3σ的累积损伤线性累加构成；Dirlik方法利用Monte Carlo技术得到经验闭合解，应用范围广，大部分情况下优于其他方法，且窄带和宽带技术均适用。因此，本文采用Dirlik方法。
2航空发动机整机振动故障原因分析
2.1转子积液
在鼓筒式结构的发动机中，发动机内部的轴承密封装置容易在发动机调试的时候出现漏油等问题。随着发动机轴承开始测试运作，这些积液会进入到鼓筒结构中，在航空发动机整机正式飞行过程中，带有鼓筒的转子随着转速越来越快，鼓筒内部的油液会形成油团。作为杂质存在的油团同转子的振动幅度、方向、频率等都不同，导致转子出现自激振动，这种振动幅度角度导致发动机内部密封结构的摩擦变大，发动机叶片出现非常规磨损，严重损坏发动机的重要元件性能，容易引发整机振动故障
2.2金属软管不合格
金属软管原材料为航空发动机用屏蔽软管材料，执行Q/HYAP13-91标准，针对航空发动机用屏蔽软管不合格，从原材料、产品尺寸、产品出厂试验等方面进行排查。其中，通过对相关原始资料复查，可以排除原材料不合格和产品尺寸不合格两个因素。而在检查产品出厂试验时发现存在问题：按照材料标准Q/HYAP13-91要求，航空发动机用屏蔽软管出厂前应进行气密性试验和弯曲性能试验，厂家提供的报告仅记录气密性试验，无弯曲性能试验记录。产品弯曲性能试验不合格会导致在使用过程中出现金属编织套破损的现象，该因素不可排除。
2.3转子不平衡故障
在航空发动机中，转子结构是指发动机内部轴承支撑着的旋转体，依照发动机运行原理主要是依托转子和轴承的相互关系。转子在较高频率的转速下会出现转子不平衡，如静不平衡、偶不平衡和动不平衡等。转子不平衡故障的检测技术主要是检测发动机的转速、频率、转速平方和航空飞机的载荷关系，当前者参数相同、后者参数呈正比，则表现转子出现不平衡故障。
根据发动机的转子结构和运行作用可知，转子所采用的原材料性能不高或是制作工艺偏差等情况，其在具体的运行中都会出现质量偏差故障，引起发动机整机振动。
2.4安装应力过大
点火电缆在发动机上的安装情况如图2所示，为悬臂结构，且存在180°折弯，点火电缆安装后应力集中主要在折弯处及焊合与非焊的交界处。经设计复查，该点火电缆在外场使用过程中出现过干涉现象，其长度由原来的430mm缩短为370mm，金属软管缩短使得点火电缆安装应力更为集中，可能会在焊合与非焊的交界处出现应力过大[6]的情况。装配工艺文件中未明确规定点火电缆安装时先安装点火电嘴端还是点火器端，若先将点火器端安装固定，在安装点火电嘴一端时，由于这一端存在一段弯管，为保证点火电嘴安装角度合适，可能会将点火电缆进行扭转，这就使得点火电缆存在一定的扭转应力，导致在焊合与非焊的交界处出现应力过大的情况。
3航空发动机支架零件振动结构优化措施
3.1校正面确定和平衡转速选择
在转子组装后的双面平衡中，2个校正面为第4级盘截面和第9级盘截面，主要是防止破坏各部件已经平衡好的结果，且2个校正面之间距离比较大，位于转子重心两侧（压气机转子重心处于第4～5级之间），这样可使得转子在平衡时所需的校正量小些。平衡转速要求不低于900r/min。通常平衡转速应尽量高，以有利于转子叶片充分甩开，提高平衡准确性和稳定性，但受限于平衡机设备能力及从安全角度考虑，该转速要求相对合理且经济。
3.2时频分析
其中，转子碰摩呈现非线性非平稳性特点，振动信号存在明显非周期冲击性，表征为显著调频调幅非平稳性。转子机匣单点－转子全周碰摩故障振动信号存在明显频谱周期冲击性，其中1450Hz冲击频率状态下，频谱能量分布紧密，而周期冲击频谱即涡轮叶片通过转子机匣的既有频率，是转速频率与涡轮叶片数目乘积，转子全周碰摩振动信号的高频谱阶段冲击频率的2、3倍频位置，有明显调幅冲击响应，是转子全周碰摩独特的高频阶段冲击性。1450Hz冲击频率状态下，两端存在四组等间隔边谱带簇，频率即转速频率值，而局部放大区域频谱中，2、3倍频位置两端同时出现基于转速频率作为隔离带的边谱频谱带，以此生成同等间距边谱带簇，而此现象表明了转子全周碰摩故障特征，也证明了所采集振动信号中存在转子全周碰摩故障。据此，通过振动信号频谱分析可知转子全周碰摩故障冲击频率特征，以及故障特征，然而转子单叶片碰摩弱故障特性频率倍强大的噪声背景所影响，难以明确辨别。
结束语
用计算机辅助软件进行结构疲劳分析可大大缩短设计周期和降低设计成本，对工程应用具有很大的指导意义。研究表明，某型航空发动机二次检修发现的支架零件侧面根部裂纹主要是由倒角半径过小导致的。虽然增大倒角半径有利于避开零件的2阶共振带，但是根部应力集中水平才是影响结构疲劳的直接因素。增大倒角半径可以降低零件根部应力集中水平，从而达到提高该零件使用寿命的目的。根据nCode DesignLife疲劳分析结果，为实现使用寿命的最大化，建议将当前支架零件侧面根部倒角半径由1．5mm调整为2．5mm。进一步提高零件使用寿命还需配合零件背面根部倒角尺寸进行优化设计
参考文献：
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