一、引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)的主要目的，是通過(guò)對(duì)支承結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布的合理分配，保障發(fā)動(dòng)機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)有害振動(dòng)。然而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有多支點(diǎn)（5個(gè)支點(diǎn)，支點(diǎn)同心度難以保證）、跨度大（1.9m，寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)剛性轉(zhuǎn)子特性）、雙轉(zhuǎn)子（采用中介軸承）的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和機(jī)匣結(jié)構(gòu)的連接面多且形式復(fù)雜，采用了套齒、螺栓、配合摩擦等連接形式，在裝配過(guò)程中，大多數(shù)工藝參數(shù)難以測(cè)量，無(wú)法保證裝配質(zhì)量的重復(fù)性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，工作溫度范圍大（環(huán)境溫度～2000 ℃），導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工藝特征參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化范圍大，引起發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有非線性時(shí)變特性。同時(shí)，轉(zhuǎn)靜件間隙、支承剛度、同心度、不平衡量分布等動(dòng)力學(xué)參數(shù)和氣動(dòng)流場(chǎng)氣動(dòng)力等，隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和溫度場(chǎng)的變化而變化，造成各連接結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)傳遞特性相差也較大。此外，對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性要求更為嚴(yán)格，要求非臨界區(qū)域轉(zhuǎn)速范圍寬（低壓為3000～9000r/min，高壓為7000～15000r/min)、轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可在任意點(diǎn)停留。

考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高溫高轉(zhuǎn)速的工作特性，未考慮上述連接結(jié)構(gòu)的時(shí)變非線性因素的整機(jī)振動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差較大，長(zhǎng)期以來(lái)很難實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的精確評(píng)估，并很難對(duì)發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題的航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行有效的整機(jī)振動(dòng)控制。

為此，本文針對(duì)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高溫高轉(zhuǎn)速工況下動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題，指出目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)存在的問(wèn)題，并提出了發(fā)展思路。

二、設(shè)計(jì)技術(shù)

在大型渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)的主要目的如下：

評(píng)估轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，要保證1階彎曲臨界轉(zhuǎn)速高于最大工作轉(zhuǎn)速并具有較大裕度，支承共振型臨界轉(zhuǎn)速避開(kāi)常用工作轉(zhuǎn)速，同時(shí)需要減小由轉(zhuǎn)子殘余不平衡帶來(lái)的支承動(dòng)載荷對(duì)所有相關(guān)零部件的影響。

確定臨界轉(zhuǎn)速調(diào)整相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。解決初始方案臨界轉(zhuǎn)速不理想或其他因素要求結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)力學(xué)影響分析方法。

預(yù)估支承系統(tǒng)和機(jī)匣的振動(dòng)特性。結(jié)合臨界轉(zhuǎn)速與撓曲變形的綜合分析，保障發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜件間隙保持在合理的分布范圍內(nèi)。

評(píng)估轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)敏感性。給出初步的不平衡敏感系數(shù)，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子不平衡修正量和位置，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)本機(jī)平衡的能力。

預(yù)示動(dòng)力學(xué)特性不穩(wěn)定的振動(dòng)頻率、限定值和相關(guān)發(fā)生的條件，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)不發(fā)生危險(xiǎn)振動(dòng)。

評(píng)估轉(zhuǎn)靜件相對(duì)動(dòng)態(tài)位置關(guān)系，預(yù)估容易碰摩的截面、不平衡變化截面、支點(diǎn)不同心度和支承剛度變化支點(diǎn)對(duì)各振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)特征，為發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用過(guò)程中振動(dòng)故障排除和結(jié)構(gòu)修改提供重要的參考依據(jù)。

要達(dá)到上述目的，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型的有效性將是至關(guān)重要的，也對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算提出更高要求。

1. 考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

首先，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)主要集中于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（或轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)）的臨界轉(zhuǎn)速問(wèn)題、穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)等問(wèn)題。某型發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由于未將轉(zhuǎn)子- 支承- 機(jī)匣-安裝系統(tǒng)作為整體進(jìn)行考慮，不能滿足對(duì)機(jī)動(dòng)過(guò)載、支點(diǎn)同心度、轉(zhuǎn)靜件間隙等涉及整機(jī)結(jié)構(gòu)特征的因素進(jìn)行分析和研究，難以解決先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高度耦合的整機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)特性（振動(dòng)固有特性和響應(yīng)特性）問(wèn)題，也無(wú)法為構(gòu)件和部件的耐久性試驗(yàn)提供整機(jī)振動(dòng)環(huán)境參考。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

其次，目前在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展的動(dòng)力學(xué)分析主要進(jìn)行線性系統(tǒng)的振動(dòng)設(shè)計(jì)，而對(duì)于系統(tǒng)中固有的非線性因素都進(jìn)行等效線性化處理，包括結(jié)合面連接剛度（不同連接結(jié)構(gòu)剛度隨載荷和定位面緊度變化規(guī)律如圖2所示）、超大不平衡量、阻尼、擠壓油膜阻尼器、碰磨等因素引起的非線性剛度和非線性阻尼。在此前的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，這樣的處理能夠簡(jiǎn)化計(jì)算、提高效率，而且對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有可接受的工程精度。但隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，特別是高推比發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，結(jié)構(gòu)上的非線性因素進(jìn)一步增多，其影響也明顯增大。由此，線性化處理對(duì)于部分大振幅帶來(lái)的強(qiáng)非線性則明顯不適應(yīng)，只有對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非線性振動(dòng)問(wèn)題研究，才可以更準(zhǔn)確地把握振動(dòng)特性的本質(zhì)。

圖2 不同連接結(jié)構(gòu)剛度隨載荷和定位面緊度變化規(guī)律

再次，在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中將結(jié)構(gòu)特征參數(shù)均作為確定性參數(shù)考慮，沒(méi)有考慮加工誤差分布、裝配工藝引起容差組合和工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化所帶來(lái)的概率分布。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的動(dòng)柔度問(wèn)題，由結(jié)構(gòu)公差組合、裝配過(guò)盈范圍和溫度梯度帶來(lái)的動(dòng)柔度變化至少5倍以上。

為此，需針對(duì)先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)中存在的轉(zhuǎn)靜件耦合性、局部非線性和振動(dòng)響應(yīng)不確定性等問(wèn)題，以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為分析對(duì)象，在充分考慮航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征、工作狀態(tài)和裝配工藝的前提下，發(fā)展和完善更為準(zhǔn)確的、考慮結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（工藝特征參數(shù)和動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)）的參數(shù)化建模方法。利用建立的整機(jī)參數(shù)化模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，對(duì)典型的整機(jī)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行理論分析與數(shù)值模擬，研究整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)特征與力學(xué)機(jī)理。考慮結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的分散性，建立和發(fā)展整機(jī)振動(dòng)的概率分析的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法。

2. 重點(diǎn)考慮支承和連接結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但影響分析精度的重點(diǎn)和難點(diǎn)為：缺少準(zhǔn)確的支點(diǎn)和連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)柔度數(shù)據(jù)，使計(jì)算的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速誤差過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的真實(shí)目的。動(dòng)柔度指由單位振動(dòng)載荷引起的變形，與振動(dòng)頻率和參與振動(dòng)的質(zhì)量有關(guān)。

實(shí)測(cè)支點(diǎn)靜柔度并不困難，但要實(shí)測(cè)支點(diǎn)動(dòng)柔度似乎不現(xiàn)實(shí)，而影響臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果的是支點(diǎn)動(dòng)柔度。因此，要提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)精度，必須考慮影響支點(diǎn)柔度的諸多因素，并確定對(duì)動(dòng)柔度影響較大的零件。RR公司的早期 (1974年) 報(bào)告稱支點(diǎn)柔度為軸承柔度 (bearing flexibility) 或軸承支承柔度 (bearing support flexibility)，相比之下后者的定義與動(dòng)力學(xué)分析更為密切。但該報(bào)告中沒(méi)有明確說(shuō)明應(yīng)該包括哪些零件的變形，如果必須包括軸承，則其動(dòng)柔度測(cè)量將非常困難。因?yàn)?，軸承游隙的存在無(wú)法施加交變載荷。而目前的動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，軸承工作狀態(tài)的游隙并不會(huì)對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的分析與測(cè)量產(chǎn)生明顯影響。

在正常的柔度范圍內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速對(duì)支點(diǎn)柔度非常敏感，前軸承柔度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3所示。可以通過(guò)靜子支承系統(tǒng)的動(dòng)柔度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，考慮工作狀態(tài)的溫度影響，假定在某一范圍內(nèi)選取幾點(diǎn)柔度值計(jì)算出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)整機(jī)試車(chē)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果加以驗(yàn)證?；蛘吲R界轉(zhuǎn)速計(jì)算僅給出臨界轉(zhuǎn)速隨支點(diǎn)柔度變化的關(guān)系，以便分析可能存在的問(wèn)題。

連接結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度是影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的另外1個(gè)重要因素。國(guó)外自20世紀(jì)50年代起就執(zhí)行了相關(guān)控制措施，包括采用控制預(yù)緊力的力矩（或轉(zhuǎn)角）安裝技術(shù)，及控制精度和摩擦性能的緊固件制造技術(shù)。此外，制定了較完善的針對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)安裝力矩和預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)，建立了較完善的螺栓連接應(yīng)用規(guī)范。

圖3 前軸承柔度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

大量的技術(shù)研究成果的研究范圍涉及到螺栓連接理論、預(yù)緊力控制、摩擦性能控制、防疲勞控制等諸多方面。典型的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)如波音的《螺栓和螺母的安裝 (BAC5009M)》、NASA 的《NASA NSTS 08307 預(yù)緊力螺栓設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、SAE 的《SAE1471A (2000年)》、俄羅斯的《OCT100017-1989》等。

RR公司與倫敦帝國(guó)理工大學(xué)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期合作，采用分析和試驗(yàn)手段，研究了界面連接剛度與界面加工精度、連接螺栓預(yù)緊力、螺栓孔所在的直徑的關(guān)系，建立了模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和零部件試驗(yàn)修正整機(jī)模型。

裝配預(yù)緊力是影響連接剛度的重要因素，而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步，對(duì)各種參數(shù)的影響關(guān)系仍存在較大困惑，包括螺栓預(yù)緊力是否合適（目前只是經(jīng)驗(yàn)值）、如何保持均勻，螺栓最合適的變形值應(yīng)如何控制，預(yù)緊順序?qū)B接剛度的影響，受力大小對(duì)機(jī)匣產(chǎn)生的影響，預(yù)緊力對(duì)靜子同心度產(chǎn)生的影響等方面。由于缺少相關(guān)控制和研究，結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛裝配好或工作較短的時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生非常大的變化。初步分析認(rèn)為這與螺栓等預(yù)緊力不確定存在較大關(guān)系。因此，預(yù)緊力在裝配前、后的變化及其大小對(duì)同軸度的影響程度也是連接結(jié)構(gòu)動(dòng)柔度的重要研究?jī)?nèi)容。支點(diǎn)球軸承軸向和徑向剛度隨關(guān)鍵參數(shù)變化曲線如圖4所示。

(a) 剛度隨軸向游隙變化

(b) 剛度隨徑向載荷變化

(c) 剛度隨徑向游隙變化

圖4 支點(diǎn)軸向和徑向剛度隨關(guān)鍵參數(shù)變化曲線

三、裝配工藝控制技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝實(shí)施的目的是保證其機(jī)械系統(tǒng)在要求的工作時(shí)間段內(nèi)安全、可靠地完成其機(jī)械設(shè)計(jì)的效能。為此，需根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境提出能夠保證完成其功能的裝配工藝。即基于結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)組合，考慮結(jié)構(gòu)工作環(huán)境影響下的力學(xué)行為，保證結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)（包括零件跳動(dòng)、零件間配合關(guān)系、轉(zhuǎn)靜件間隙、同心度、不平衡量、連接和支承剛度等）滿足動(dòng)力學(xué)特性的設(shè)計(jì)要求。以合適的整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)為目標(biāo)來(lái)控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的范圍是裝配工藝的直接目的，因此，裝配工藝是保障發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

1. 裝配工藝控制結(jié)構(gòu)特征參數(shù)技術(shù)分析

先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，各部件結(jié)合面表面加工精度、端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)、螺栓連接緊度等的工藝特征參數(shù)具有時(shí)變性和分散性的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)參數(shù)（包括轉(zhuǎn)子的不平衡、支點(diǎn)不同心、連接與支承剛度）的時(shí)變性和分散性，直至引發(fā)整機(jī)振動(dòng)的分散度較大。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)排故實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，目前發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)大的主要原因是動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化區(qū)間難以控制，同時(shí)伴隨著由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引起的振動(dòng)不穩(wěn)定。為此，需理清影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的主要參數(shù)內(nèi)容，研究其控制技術(shù)。

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)主要影響參數(shù)分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的加工、裝配和工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工藝特征參數(shù)會(huì)在一定公差范圍內(nèi)變化，引起相應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)發(fā)生變化，其結(jié)果是對(duì)整機(jī)振動(dòng)特征產(chǎn)生影響。因此，分析其工藝特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的相關(guān)聯(lián)系，為其裝配工藝控制奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)分析總結(jié)引起整機(jī)振動(dòng)的3 類(lèi)參數(shù)關(guān)鍵因素，確定了特征參數(shù)的分類(lèi)，如圖5所示。

圖5 特征參數(shù)分類(lèi)

力學(xué)特征參數(shù)是影響整機(jī)振動(dòng)的直接參數(shù)，主要包括不平衡量、不同心度、連接剛度和支承剛度。工藝特征參數(shù)是裝配過(guò)程中控制的參數(shù)或者是通過(guò)裝配而形成的參數(shù)，主要包括轉(zhuǎn)子組合跳動(dòng)、轉(zhuǎn)靜子不同心度、擰緊力矩、擰緊順序等參數(shù)。結(jié)構(gòu)特征參數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)零件以及零件之間的結(jié)構(gòu)要素，主要包括零件跳動(dòng)（端跳、徑跳、柱跳）、配合（螺栓、軸承座與軸承、套齒、定位止口）關(guān)系、軸承間隙等。其中影響轉(zhuǎn)子不平衡的特征參數(shù)有轉(zhuǎn)子零件跳動(dòng)（端跳和徑跳）、轉(zhuǎn)子零件周向安裝位置、葉片質(zhì)量矩分散度和轉(zhuǎn)子組合跳動(dòng)等；影響支承不同心度的特征參數(shù)主要有端面和柱面跳動(dòng)（結(jié)構(gòu)尺寸公差）、連接件的擰緊力矩和連接件的擰緊順序（裝配工藝）等；影響連接剛度的特征參數(shù)有渦輪與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接螺母擰緊力矩、配合關(guān)系、風(fēng)扇與套齒（或多功能軸）的配合關(guān)系、渦輪與套齒（或多功能軸）的配合關(guān)系等；影響支承剛度的特征參數(shù)有機(jī)匣與軸承座的配合關(guān)系、機(jī)匣前后止口配合關(guān)系、機(jī)匣和軸承座帶有螺栓連接的擰緊力矩等。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝參數(shù)控制技術(shù)問(wèn)題分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)是影響整機(jī)振動(dòng)的直接參數(shù)，然而影響不平衡量、不同心度、連接剛度和支承剛度動(dòng)力學(xué)參數(shù)的是結(jié)構(gòu)幾何工藝和裝配工藝特征參數(shù)。因此，分析裝配工藝參數(shù)控制技術(shù)問(wèn)題對(duì)控制整機(jī)振動(dòng)意義重大。

考慮裝配結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境（裝配力學(xué)）：結(jié)構(gòu)裝配工藝是1項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，如發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)螺栓連接結(jié)構(gòu)涉及扭矩、剪切力、彎曲力、陀螺力、機(jī)械軸向力、氣動(dòng)壓力、慣性力、熱梯度、摩擦、裝配干涉和螺栓預(yù)緊力等11種載荷，如何在保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、壽命和性能的前提下，滿足連接剛度在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求，這就是如何提出裝配工藝要求。需考慮螺栓數(shù)和螺距的選取、擰緊力矩和步長(zhǎng)、擰緊方向、環(huán)境溫度、工作溫度梯度等裝配、工藝參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，才能制定出科學(xué)的結(jié)構(gòu)裝配工藝規(guī)程。又如在軸承裝配時(shí)，配合間隙的不確定性難以控制。而軸承的配合間隙又決定了軸承的支撐剛度，裝配時(shí)是間隙配合還是緊度配合才能使支撐剛度達(dá)到合適范圍，就需要分析清楚相關(guān)結(jié)構(gòu)在裝配環(huán)境溫度和工作環(huán)境溫度下的相對(duì)位置（或力學(xué)）關(guān)系，使其在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下也滿足支承剛度設(shè)計(jì)要求。

考慮結(jié)構(gòu)工藝和裝配工藝參數(shù)可測(cè)和可控性問(wèn)題：發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)由數(shù)千個(gè)零件組合而成，由于每個(gè)零件的公差分布是隨機(jī)的，其組合后的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特性具有分散度，如何保證根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何工藝參數(shù)在裝配工藝的作用下滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何工藝參數(shù)描述的合理性進(jìn)行研究。如端面配合時(shí)對(duì)零件配合面的跳動(dòng)量描述，是以多少點(diǎn)、線、面描述為最佳表述方式；又如中央傳動(dòng)齒輪與附件機(jī)匣傘齒輪的配合關(guān)系，分析出靠零件的哪些工藝參數(shù)和裝配工藝來(lái)保障2 軸線的垂直度和嚙合均勻性等。

總之，只有保證裝配過(guò)程前的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的合理性和裝配過(guò)程中的工藝參數(shù)可測(cè)試性，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的可控性，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)特性在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

2. 典型轉(zhuǎn)子同心度裝配優(yōu)化與控制技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)每一結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，其幾何和工藝參數(shù)都有一定誤差范圍，裝配組合后會(huì)帶來(lái)力學(xué)參數(shù)的容差要求，如果容差與工藝參數(shù)沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)果是：盡管加工出的零件都各自滿足其技術(shù)要求，但裝配組合后的力學(xué)參數(shù)不一定滿足振動(dòng)特性的要求。相反，如果應(yīng)用裝配優(yōu)化技術(shù)，即使加工件超出了公差范圍，仍有可能裝配出符合振動(dòng)特性要求的組件。

在裝配過(guò)程中可以被優(yōu)化的力學(xué)參數(shù)主要有轉(zhuǎn)子不平衡量、轉(zhuǎn)子不同心度和轉(zhuǎn)靜子不同心度。轉(zhuǎn)子不平衡量和不同心度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，而轉(zhuǎn)靜子不同心度將對(duì)轉(zhuǎn)、靜子碰磨有重要影響。

轉(zhuǎn)子不同心度優(yōu)化通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子部件的幾何跳動(dòng)，推算出不同部件組合角度下轉(zhuǎn)子的不同心度，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子不同心度最小的部件組合角度而達(dá)到目標(biāo)。優(yōu)化原理如圖6所示。在相同部件公差條件下，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到2種裝配模式下的轉(zhuǎn)子不同心度累計(jì)概率分布，如圖7所示。二者的不同心度公差范圍（95%置信區(qū)間）和平均值（50%累計(jì)概率）的比較見(jiàn)表1。

圖6 優(yōu)化原理

圖7 隨機(jī)裝配與優(yōu)化的不同心度累積分布曲線

表1不同心度公差范圍和平均值比較

轉(zhuǎn)子不平衡量?jī)?yōu)化也是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子部件的幾何跳動(dòng)，推算出不同部件組合角度下轉(zhuǎn)子的初始不平衡量，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子不平衡量最小的部件組合角度而達(dá)到目標(biāo)。在相同部件公差條件下，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到2種裝配模式下的轉(zhuǎn)子不同心度累計(jì)概率分布，如圖8所示。二者不平衡量公差范圍（95%置信區(qū)間）和平均值（50%累計(jì)概率）的比較見(jiàn)表2。

圖8 隨機(jī)裝配與優(yōu)化的不平衡量累積分布曲線

表2 不平衡量公差范圍和平均值

轉(zhuǎn)靜子不同心度優(yōu)化通過(guò)改變靜子支承不同心度關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)子和靜子之間不同心度最小的目標(biāo)。在轉(zhuǎn)子上安裝間隙傳感器，進(jìn)行常規(guī)過(guò)程，完成轉(zhuǎn)子和靜子定位關(guān)系的裝配環(huán)節(jié)后，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙，得到轉(zhuǎn)靜子不同心度，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)靜子不同心度測(cè)量結(jié)果

根據(jù)不同心度的大小和相位，改變靜子機(jī)匣安裝邊螺釘擰緊順序，可以進(jìn)行微量調(diào)節(jié)優(yōu)化。如果不同心度數(shù)值較大，則需要分解后調(diào)整靜子之間的定位關(guān)系進(jìn)一步改善轉(zhuǎn)靜子不同心度。

四、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與典型振動(dòng)故障

整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、裝配結(jié)果的有效途徑，是檢驗(yàn)整機(jī)振動(dòng)特性設(shè)計(jì)符合性，以及檢查機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)正常與否的重要手段。在新的發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，在原型機(jī)臺(tái)架和部件試驗(yàn)中，整機(jī)振動(dòng)測(cè)量的主要目的和工作如下：

驗(yàn)證轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性是否滿足設(shè)計(jì)要求，如在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否存在臨界轉(zhuǎn)速，是否需要修改或施加阻尼抑制。

驗(yàn)證整機(jī)振動(dòng)特性，包括支承動(dòng)特性、機(jī)匣動(dòng)特性、轉(zhuǎn)靜子件振動(dòng)特性關(guān)系（間隙分布）以及各截面振動(dòng)幅值與成附件所在位置的振動(dòng)關(guān)系。

在研制過(guò)程中通過(guò)設(shè)置動(dòng)力學(xué)參數(shù)和所遇到的振動(dòng)故障，測(cè)試建立發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障譜系，為發(fā)動(dòng)機(jī)出廠使用提供振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和外場(chǎng)飛行提供故障診斷依據(jù)。

因此，整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)是有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量和保障發(fā)動(dòng)機(jī)可靠安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

1. 整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法的現(xiàn)狀和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（限制值）

(1) 整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法的現(xiàn)狀

在整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法方面，20世紀(jì)50～80年代中期，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)大部分采用磁電式速度測(cè)量系統(tǒng)。以振動(dòng)總量來(lái)衡量其振動(dòng)大小，但一般只規(guī)定穩(wěn)定狀態(tài)下的限制值，在升、降速過(guò)程中的瞬態(tài)值可忽略不計(jì)。測(cè)振儀均采用帶通濾波器，如WP6、WP7發(fā)動(dòng)機(jī)使用的測(cè)振儀帶通為70～200Hz，斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)的為45～400Hz。國(guó)內(nèi)渦噴系列發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試至今仍多沿用上述方法。

20世紀(jì)70年代末至80年代初，壓電加速度計(jì)憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、體積小、質(zhì)量輕、頻率響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好、使用溫度范圍寬以及抗外磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，迅速在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域取得主導(dǎo)地位。在CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)規(guī)范中甚至明確規(guī)定整機(jī)振動(dòng)測(cè)試需要采用壓電加速度計(jì)。

在20世紀(jì)70 年代，由于數(shù)字電路技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，計(jì)算機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于信號(hào)分析與處理領(lǐng)域，信號(hào)數(shù)字處理分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)建立在利用快速傅立葉變換而大幅提高計(jì)算速度（蝶形算法）的基礎(chǔ)上，能夠采用非時(shí)域特征的函數(shù)分析，詳細(xì)描述物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)及動(dòng)態(tài)過(guò)程。針對(duì)測(cè)試手段和技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法也相應(yīng)發(fā)生了新的變化，如振動(dòng)分量控制。振動(dòng)分量一般是經(jīng)跟蹤濾波、窄帶濾波或頻譜分析得到的單一頻率的振動(dòng)信號(hào)，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定高壓轉(zhuǎn)子以速度值、低壓轉(zhuǎn)子以位移值表征整機(jī)振動(dòng)水平。

(2) 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)（限制值）

整機(jī)振動(dòng)測(cè)試主要圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的可靠性進(jìn)行，對(duì)振動(dòng)監(jiān)視的限制值主要從以下幾方面考慮：

在發(fā)動(dòng)機(jī)初始研制階段，主要參考相類(lèi)似結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)限制值，如太行發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)限制值參考俄羅斯AL-31F 發(fā)動(dòng)機(jī)和美國(guó)CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)的；

考慮傳遞到軸承上的振動(dòng)載荷不應(yīng)超過(guò)其額定靜載荷的10％，以保證軸承的安全；

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)成附件（包括管路、機(jī)匣、附件機(jī)匣及其附件）的振動(dòng)激勵(lì)的大小不應(yīng)使其受到損傷；

考慮影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的其他因素，如碰磨、支承剛度（軸承游隙）、不同軸度等的試驗(yàn)研究。

2. 整機(jī)振動(dòng)特性的測(cè)試技術(shù)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性實(shí)際情況，包括：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性是否滿足設(shè)計(jì)要求，獲取整機(jī)振動(dòng)特性，通過(guò)設(shè)置動(dòng)力學(xué)參數(shù)和所遇到的振動(dòng)故障，測(cè)試建立發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障譜系等。下面介紹幾種試驗(yàn)測(cè)試方法。

(1) 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)試技術(shù)

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性是指轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)形態(tài)。受轉(zhuǎn)子幾何尺寸、支點(diǎn)分布、支承剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速（溫度分布和扭轉(zhuǎn)剛度）甚至裝配工藝的影響而不同?，F(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)（包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)）大多采用彈性支承，充分利用了在轉(zhuǎn)子通過(guò)支承臨界后的較寬轉(zhuǎn)速范圍（支承2階臨界轉(zhuǎn)速的2～3倍轉(zhuǎn)速）的橫向振動(dòng)具有定心作用的特點(diǎn)。在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避開(kāi)了彎曲臨界轉(zhuǎn)速。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)試主要針對(duì)前2階的支承臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)轉(zhuǎn)子不同的結(jié)構(gòu)形式，其測(cè)試方法可以采用振幅峰值法、副臨界轉(zhuǎn)速法、軸心軌跡法、滯后相角法等。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)一般根據(jù)轉(zhuǎn)速振動(dòng)曲線尋找共振點(diǎn)，在共振點(diǎn)轉(zhuǎn)速附近測(cè)試其支點(diǎn)之間的相位關(guān)系，即可獲得其振動(dòng)特性。也可利用非接觸式位移傳感器（電容式、電渦流式、微波式）檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸向相位關(guān)系，獲取轉(zhuǎn)子振型。而對(duì)于彎曲轉(zhuǎn)子振型則需要在轉(zhuǎn)子軸上粘貼應(yīng)變片，利用轉(zhuǎn)子過(guò)臨界時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向現(xiàn)象來(lái)判斷其是否為彎曲振型。從而驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是否避開(kāi)彎曲振動(dòng)及其支承振動(dòng)特性。

(2) 機(jī)匣支承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性測(cè)試技術(shù)

受通過(guò)支承傳遞的轉(zhuǎn)子不平衡力、內(nèi)流和與葉片相互作用的氣動(dòng)力激勵(lì)的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣會(huì)發(fā)生各種振型的振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)涉及其自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致安裝于機(jī)匣上成附件的損傷問(wèn)題。此外，還需考慮機(jī)匣彈性線和轉(zhuǎn)子彈性線間的關(guān)系，進(jìn)而盡可能避開(kāi)轉(zhuǎn)靜件碰摩的現(xiàn)象所帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減問(wèn)題。因此，機(jī)匣支承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性測(cè)試是非常必要的研究?jī)?nèi)容。其測(cè)試方法主要2種：

加速度、應(yīng)變計(jì)聯(lián)合測(cè)試法：由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和環(huán)境復(fù)雜，且考慮傳感器的附加質(zhì)量影響，一些部位無(wú)法安裝加速度傳感器，因此，需根據(jù)具體環(huán)境實(shí)施不同的測(cè)試方案。對(duì)于軸向振型，利用多個(gè)加速度計(jì)的相位關(guān)系和多個(gè)應(yīng)變計(jì)的等效梁?jiǎn)卧冃闻c位移轉(zhuǎn)換，分段組合成整體軸向振型（若允許布置足夠的加速度計(jì)時(shí)可直接測(cè)得）。對(duì)于周向振型，用加速度計(jì)和應(yīng)變計(jì)均可實(shí)現(xiàn)。

非接觸式激光位移測(cè)試法：利用動(dòng)、靜態(tài)大變形、大應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng) (Q-400X) 的3維全場(chǎng)振動(dòng)分析高速變形測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行風(fēng)扇機(jī)匣沿軸向變形測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)非接觸、全場(chǎng)、大變形大應(yīng)變測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量無(wú)需隔振。能夠針對(duì)較大的測(cè)試面積和測(cè)試對(duì)象或柱狀體進(jìn)行靜態(tài)加載條件下的全場(chǎng)多視角變形與大應(yīng)變測(cè)量，并能給出在加載條件下的大型柱狀體的全場(chǎng)變形與應(yīng)變分布。但該方法僅適用于可視機(jī)匣振型的測(cè)試，對(duì)于雙涵機(jī)匣還應(yīng)采用第1種方法。

3. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)故障特征

整機(jī)振動(dòng)測(cè)試就是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)視、識(shí)別和預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)變化情況，根據(jù)所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)特征，查詢故障發(fā)生的可能原因，以便采取相應(yīng)決策，及時(shí)消除隱患和排除故障，提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

通過(guò)對(duì)多臺(tái)份某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程進(jìn)行大量的振動(dòng)測(cè)試和分析總結(jié)，認(rèn)為該型發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)振動(dòng)故障為轉(zhuǎn)子臨界、機(jī)匣局部共振、轉(zhuǎn)子不平衡量過(guò)大、轉(zhuǎn)靜件碰摩、腔體積油、軸承故障等，其基本特征見(jiàn)表3。

表3 部分故障和基本特征

注：X坐標(biāo)為頻率，Y坐標(biāo)為幅值，Z坐標(biāo)為時(shí)間。N1代表低壓基頻，N2代表高壓基頻。

這些研制過(guò)程中積累和再現(xiàn)的振動(dòng)故障特征，可有效地為發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)使用提供非常有價(jià)值的參考作用，也是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中所必須進(jìn)行的內(nèi)容。

五、結(jié)束語(yǔ)

高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工況多變等特點(diǎn)，對(duì)整機(jī)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性提出了苛刻要求。為徹底實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的可控性，本文立足于發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、裝配與測(cè)試工作，分析了影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)因素，論述了建立整機(jī)振動(dòng)控制體系的主要內(nèi)容，具體包括：

考慮發(fā)展和完善整機(jī)振動(dòng)分析的考慮結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（工藝特征參數(shù)與動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)）分布特征的參數(shù)化建模方法。

研發(fā)高精度大型盤(pán)軸、機(jī)匣工藝特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，完善發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、裝配工藝參數(shù)和力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

研究整機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試技術(shù)、故障在線試驗(yàn)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)，建立振動(dòng)敏感參數(shù)的響應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)本文的論述，基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研制經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，通過(guò)進(jìn)行先進(jìn)有效的計(jì)算技術(shù)、高效的測(cè)試技術(shù)和可控的裝配工藝等方面的研究，建立有效、實(shí)用的整機(jī)振動(dòng)控制體系，即可保證發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性良好，有望徹底實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的可控性。