发动机液压管路系统振动机理及故障诊断研究动态

张 杰，杜林森

东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004

0 引言

由于车辆等机体结构和本身发动机结构上的限制会使液压管路的布局在某些地方不合理，再加上外激励的综合作用，就给发动机液压管路系统带来了故障隐患。据统计，由液压管路系统振动故障引起的事故频繁发生。例如某型号飞机发动机由于振动异常检修，而在检修后的2006年8月17日飞行第三起落后发现高压油滤至柱塞泵控制附件导管断裂[1]；当某飞机开车5min左右，装在发动机机匣上的液压泵YB-20B出口处的液压导管断裂漏油，引起了一场严重火灾[2]。本身液压管路系统振动故障机理就极其复杂，而直接实物直接研究同样很困难，例如在航空发动机、大型船舶和重卡的发动机，直接进行实物试验难度很大，研究成本也很高，因此大都是基于模型（物理模型、数学模型等）来研究实际问题，大量研究者通过长期的实践经验得出结论，在进行大胆而合理的假设而建立起来的振动模型基本可以很好的满足实际。随着计算机技术、测试技术等多学科技术的发展使各种模拟研究更加逼近现实。本文对近几年在发动机液压管路系统振动机理和故障诊断方面的研究进行了梳理，希望能为以后液压管路系统振动的理论研究、结构动力学设计、试验、生产及排障提供借鉴。

1 发动机液压管路系统振动机理

1.1 管路振动的分类

按对系统的激励类型分为：自由振动、受迫振动、自激振动和参数振动[3]。发动机液压管路系统的振动，主要考虑强迫振动和自激振动两种。管路的强迫振动是指管路在外界或内部的周期性（或随机性）机械载荷或流体载荷下产生的振动。管路的自激振动是指管路内部的流动介质和管路的运动相耦合而形成的振荡激励所产生的振动，通常又称之为振动失稳[1]。对发动机液压管路系统振动在最起初主要考虑的因素是发动机转子的不平衡力、液压油路中流体的压力脉动，然后是液压管路系统的耦合振动机理的研究。总结了大量文献资料后发现解决振动问题的一般途径[4]如图1所示。

图1 解决振动问题的途径

1.2 液压管路系统振动机理

1.2.1 转子不平衡力和流体的脉动压力引起的振动

在研究的初期，转子不平衡力和流体的脉动压力是研究者主要考虑的因素。其中，转子的不平衡力是由转子的失衡造成的，而转子的失衡是指由于离心力的作用对它的轴承施加速度、力或运动时的转子存在的状态。失衡又有3种类型：静失衡、力偶失衡、动失衡。失衡的主要原因是有回转中心的质量分布不均匀造成的[5]。由于制造精度、装配精度的限制发动机转子的失衡是不可避免的，当转子高速转动时，就会产生周期的不平衡力，不平衡力的大小取决于转子不平衡量的大小和和转子转速的高低。因此，这种转子不平衡力就作为一种周期激励最后作用在管路系统上。激励频率：f =n/60（n为发动机的转子转速）。

输送流体（燃油、滑油）的管路由于供油泵（齿轮泵、柱塞泵）的作用，会使管内的流体的压力产生周期性的变化。这种流体的压力脉动在管路的弯径处和变径处将产生作用在管路上的周期性激励。流体脉动压力的激振频率为f =kn/60（k为泵的齿数或柱塞数；n为泵的转速）。

1.2.2 卡门旋涡引起的振动

在一些结构复杂的管路系统中，也可能出现卡门旋涡[6]引起的振动，在很早以前卡门旋涡就引起很多振动专家兴趣。将圆柱体至于均匀流场中，如图2所示，从圆柱体的两侧流出互为交替的规则形涡街，在圆柱体的后面形成一对旋涡，Leonardo da Vinci曾对这种旋涡做了正确的描述，其后，strouhal和benard等人进行了试验观察，最后T.Von卡门第一个从理论上得以证明。涡街的宽度b与旋涡的间隔a，其满足b=0.281a时形成稳定的涡街，之后人们称这种漩涡为卡门漩涡。卡门旋涡引起的振动现象非常复杂，可引起强迫振动和自激振动[7]，由于各研究者的数据差异较大，叙述统一的结果是非常困难的。

图2 卡门旋涡

1.2.3 液压管路系统的耦合振动

近几年液压管路系统的振动把流固耦合振动作为重要因素，即管路内流体与管路之间的耦合振动。

液压管路系统一般是通过卡箍与发动机壳相对固定的。除了发动机机壳通过卡箍使液压管路的发生强迫振动，还有液压管路系统内部输送液体的流量、压力脉动对液压管路系统也产生强迫振动外，如果这种压力脉动频率与液压管路系统负载阻抗的谐振频率接近，将产生谐振，脉动的流量和压力激励液压管路系统产生机械振动，从而形成了流体与管路之间的耦合振动问题。流体管道流固耦合的振动问题的解法有两种，一是把固体振动看作是主振体，流体作为附连质量与系统振动，同时，流体也可作为系统的阻尼而存在，从而建立振动问题求解模型；二是将固体和流体分别看作是一个系统内的两个子系统，分别建立固体的动力学方程和流体的动力学方程，然后在流体与固体的耦合边界上，采用动态子结构（或模态综合）法，进行必要的坐标减缩，得到流固耦合系统振动问题求解模型[8]。目前采用的方法主要有基于达朗伯原理的牛顿法、基于哈密尔顿原理的能量法以及有限元法。在建模分析过程中，对于管内径远远小于管长度的输流直管段，假设为梁模型是合理有效的[9],由管的约束的不同，管的轴线分可伸长、不可伸长。目前液压管路的固定方式根据实际主要简化为四种理想模型，如图3所示，悬臂输流管由于轴向不受拉力，通常假定管子轴线是不可伸缩的；两端支承管道轴线的长度要发生变化，一般按轴线可伸长假设来建立模型[7]。

图3 理想支撑管道模型

2 故障诊断

目前现有可行的理论和方法可以归纳为两大类：一类是基于不同的信号分析原理并结合人工智能等方法的定性诊断，另一类是基于系统模型（包括物理、数学或控制模型以及组合模型）的定量诊断。目前大多数管路振动故障诊断方法都属于前者。基于信号分析的定性诊断方法存在着如下不足：它无法全面反映管路振动特征，无法定量刻画故障程度，不易确定故障位置以及故障演变过程，无法确定故障的根本原因是结构问题还是附件器件问题或是流体参数变化问题等。

3 结论与展望

虽然发动机液压管路系统振动研究历史并不算短，但是一直没有形成一套完整的理论，研究的侧重方向有很大的不同，近几年随着各相关学科的发展，加速了其振动机理的研究步伐。借鉴已有的成果和当今其他学科的发展可以预测，管路系统振动机理的研究将趋向以下几个方面：1）管路系统的非线性振动的数学模型与分析方法；2）耦合振动的考虑范围要扩展，发动机壳与管路之间的耦合振动，管路与管路之间的耦合振动和输送流体与管路之间的耦合振动等；3）趋向于建立一个液压管路系统的振动状态监测、故障分析、趋势分析和维修决策的专家系统。

[1]王国鹏，万立，周杨娜.航空发动机管路振动故障研究[J].振动工程学报，2008，21(s)：191-194.

[2]卢金丽，黄超广，沈祖辉.飞机液压/燃油管路系统振动故障模式、机理及排除方法[J].振动工程学报，2008，21(s)：78-81.

[3]刘延柱，陈文良，陈立群.振动力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]诸德超，邢誉峰.工程震动基础[M].北京：北京航空航天大学大学出版社，2004.

[5]王明赞译.实用机械振动分析与预知维修[M].中国教育文化出版社，2006.

[6]谷口.振动工程大全（下册)[M].北京：机械工业出版社，1986.

[7]张义民.机械振动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[8]李惠彬.振动理论与工程应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[9]包日东.输流管道流固耦合系统的动力学特性及其工程应用研究[D].沈阳：东北大学博士论文，2007.