张天程 天津大学
调查显示，我国国产飞机故障中约有50%是发动机引起的。航空发动机的故障类型十分复杂，总体上可分为性能故障、结构强度故障及附件系统故障。从我国航空发动机的故障统计中发现，发动机性能故障约占总故障的10%~20%，结构强度故障约占总故障的60%~70%。而无论哪种情况，故障的前兆和发展过程都体现在发动机转子的振动上。
转子系统是航空发动机的核心系统，一旦出现故障，小则影响工作，大则造成严重破坏性事故。因此，研究各种因素引起的航空发动机转子系统的振动现象和机理，是航空发动机动力学研究的重要任务。通过研究，既可以为有效的故障诊断和控制提供理论依据，也可以为解决*航空发动机自主设计中的关键力学问题提供动力学理论基础。
航空发动机振动相关常见故障如下：
1.转静碰摩故障
由于追求高的推重比及低的耗油率，航空发动机的转速越来越高，而转子与静子的间隙越来越小，这样就加剧了转静子间的碰摩故障发生的概率。转静子间的碰摩一旦发生，将会使转静子间的间隙增大从而使其工作效率降低，严重时还会使叶片折断。而封严结构与轴之间的碰摩会使封严结构损坏，并使轴局部发热引起热弯曲从而使振动加剧。同时，转静子碰摩将引起转子发生非协调进动，因而在转子内产生交变应力，促使转子疲劳破坏。
2.不对中故障
基础松动、安装误差、承载后的变形以及工作时的热膨胀等因素，都会造成各轴系之间的不对中故障。不对中故障会引起转子轴向和径向交变力，从而导致转子的轴向和径向振动，进而引起轴承的磨损、轴的挠曲变形以及转子与静子间的碰摩等。
3.热弯曲故障
制造、装配中的不平衡和起动过程产生的热弯曲，是引发航空发动机转子产生较大振动的重要原因。转子热弯曲的产生，通常发生在发动机停车后的冷却过程中，因自然对流换热，转子下部比上部冷却速度快，转子的上下表面存在温度差而产生一定的热弯曲，呈弓形状态，从而产生较大的不平衡。当再次起动时，致使振动响应增大，乃至产生转静子的碰摩故障。
4.叶片振动故障
航空发动机转子叶片工作环境恶劣，叶片共振、颤振引起的疲劳断裂等问题，一直是发动机故障的重要原因。叶片振动严重时会导致叶片的断裂和飞失，叶片飞失引起的突加不平衡，更会引起大的瞬态振动，往往导致转子失稳、转静碰摩、叶片和轴产生裂纹、结构松动等一系列故障。
5.松动故障
承受长期循环交变载荷、振动作用下引起的弯曲疲劳和塑性变形后，发动机的连接螺栓会发生松动、脱落，导致支承刚度的不足和周期性改变，导致发动机转子结构振动异常。松动故障也往往伴随着其他故障，如不对中等。
6.疲劳裂纹故障
发动机转子承受高温、高速和突变载荷作用，容易产生疲劳裂纹，并不断扩展直至引发断裂。
7.滚动轴承故障
在航空发动机高速旋转的压气机、涡轮系统中，滚动轴承仍是一个容易出现故障的部件。现场研究表明，大约有90%的滚动轴承故障与内圈或外圈的缺陷有关，其他10%与滚动体或保持架的故障有关。另外滚动轴承处存在强烈的非线性因素，为解决滚动轴承的故障，应深入研究其非线性动力学机理。
航空发动机转子系统故障模式多、机理复杂，更重要的是各个故障往往不是单一存在，一个故障的产生通常会引发或伴随着其他故障。多种故障的耦合以及非线性因素的存在，大大增加了动力学分析的难度，这为我们研究工作带来了极大的挑战和机遇。
（来源：漫步力学微信公众号）
