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1、摘要：航空发动机的导管是连接附件和腔室的重要零件，传输的介质通常为 高温、高压流体。在设计过程中研究其振动特性，优化管路设计，对降低发动机 研发成本和风险具有重要意义。在飞机管路维修中，需要在发动机开车状态对液 压管路进行振动应力测试分析。在液压管路振动应力超出技术要求时，可利用有 限元分析软件对液压导管振动模态进行分析，综合研究实测导管应力与导管振动 模态，以分析导管应力与导管振动的关联，进而提出降低液压导管振动应力的措 施。关键词：发动机；导管振动；影响因素引言发动机液压燃油系统的功用是为发动机提供各种服役状态所需的燃油，并使 燃油呈雾状喷入燃烧室。导管作为输送燃油、液压油等介质的重要途径
2、，在飞行 过程中一旦失效，会产生严重的后果，甚至酿成等级事故。因此，燃油、液压系 统的正常工作是保障航空装备飞行安全的重要条件。发动机燃油导管服役时主要 承受发动机振动产生的振动应力、流体脉冲产生的冲击力以及高温部位产生的温 度载荷，此外，导管在安装、校形过程中的残余应力也会显著影响导管的可靠性 和寿命。从发动机导管失效的历史故障来看，导管开裂是发动机常见故障，失效 模式主要为高周疲劳断裂，断裂位置多位于焊接热影响区。1 发动机液压系统飞机液压系统主要用于起落架、减速板的收放装置，以及向襟翼、水平平尾 等舵面传动部分的供压装置中，具有重要作用。液压导管在系统中主要用来传输 能量，若其在飞行中出
3、现裂纹或断裂，将导致液压油泄露，从而危及飞行安全。 目前，飞机液压系统主要采用柱塞泵，这种泵的脉动式流量输出是其固有特性。 流量脉动经过管路系统的阻抗变换会产生压力脉动，当脉动频率与流体谐振频率 及管路系统结构的固有频率接近时，会产生耦合振动。这些耦合振动具有破坏性会使液压系统管路产生加速磨损、支承结构失效、疲劳裂纹等现象，从而影响液 压系统管路的工作性能。在飞机运行过程中，飞机机体的振动能够通过液压系统 固定元件或者管夹传递到管路上，从而带动管路系统发生（支承）激励振动，引 起振动问题。近年来，发生了多起因振动异常导致的飞机液压管路失效故障，给 航空修理企业的液压管路维修工作带来了很大压力。
4、基于此，本文通过开展振动 应力测试，监测高振动应力导管，并分析导管高振动应力产生的原因，找出了导 致液压系统导管振动应力过高的重要影响因素，同时还制定了降低导管应力的方 案，最终消除了导管振动应力高的故障，提高了液压系统导管工作可靠性。2 航空发动机导管振动影响因素航空发动机导管是为满足空气冷却、增压、轴承润滑、燃烧室供油及主泵控 制等具体功能的实现，连接附件和发动机腔室，实现发动机整机功能正常工作的 重要连接零件。航空发动机导管工作的可靠性对发动机性能、寿命至关重要。长 期以来，由振动引起的航空发动机外部管路失效一直是影响发动机可靠性的重要 问题之一。因而，研究发动机导管振动问题对提高导管工
5、作可靠性具有重要意义 科研人员已在此方面做了一些研究，利用有限元方法计算分析了航空发动机外部 管路调频问题。贾志刚等基于参数化方法研究了航空发动机管路调频方法。研究 了充液导管的振动特性。基于试车实测数据的振动响应求解方法，对典型管路的 振动响应特性进行了计算分析。航空发动机导管因输送介质流量及附件接口尺寸 限制，具有不同尺寸的管径;不同型号发动机对可靠性及重量敏感性不同，导管 壁厚亦有差异;发动机外部导管敷设时因空间位置限制，会有不同的弯曲半径及 转角角度;因发动机在机匣截面及附件上的固定位置不同，导管的跨度和支承刚 度也不同。导管不同的结构特征会对其固有频率产生不同的影响。导管在发动机 转
6、子不平衡激励、附件传动齿轮啮合激励、气动激励以及燃烧噪声等载荷综合作 用下，当激励频率与导管固有频率接近时，将引起导管共振，导致较大的振动应 力。航空发动机设计文件中建议导管的振动频率高于 1.25 倍的发动机转子最大 转速频率或小于 0.8 倍的发动机转子慢车转速频率。这就要求在发动机外部导管 的设计中，对固有频率进行仿真分析，在导管实物加工之前了解其振动特性。从 航空发动机导管结构设计特征出发，基于理论分析及有限元分析方法，研究管径 壁厚、弯曲半径、转角角度、跨度及支承刚度等因素对导管固有频率的影响规律 及导管固有频率对各影响因素的敏感度。3 导管振动应力测试原理导管应力测试采用应变电测法
7、，该方法能够通过电阻应变仪测出贴在导管表 面电阻应变片的电阻变量，并直接转换输出为应变值，然后依据虎克定律计算出 导管被测点的应力值的大小，导管粘贴示意图。对于导管应力测试，应分别测量 导管被测点的 X 向和 Y 向应力值，然后合成为导管的轴向总应力值，通过总应力 值判定导管的应力大小是否符合标准，如图 1。图 1 导管振动应力测试4 应用案例发动机导管在完成设计、加工后需进行振动频率、振动应力的测量试验。在 实际的设计工作中，导管的管径、壁厚、弯曲半径、弯曲角度因导管两端零部件 的接口尺寸已确定很难发生变化，调整导管的跨度和支承刚度是试验中进行调节 振动响应的常用手段。由发动机导管的影响因素
8、分析可知，支承刚度在小于 5X105N/m时，导管的频率随支承刚度变化明显，支承刚度在大于5X105N/m时, 导管的频率随支承刚度变化不显著，因此，调整导管的跨度成为最有效和最简单 的手段。某型发动机导管在振动频率、振动应力测量试验中发现，导管的振动应 力偏大，不满足使用要求，对此开展了管路振动优化工作。由静频图谱可知，导 管的一阶振动频率为149Hz，此频率对应于发动机的低压转子转速频率，低压转 子激起了导管共振。为避免导管与低压转子共振，在导管中间位置增加连接于机 匣截面位置的支架及卡箍，由静频图谱可知，导管的一阶振动频率变化为 506Hz 其振动应力下降 65.5%，满足使用要求。结束
9、语围绕影响导管固有频率的因素开展研究工作，利用理论计算及 ANSYS 有限元 软件对不同特征参数的导管进行了模态分析，分析了不同特征参数对导管固有频 率的影响规律及敏感性。结果表明，导管的管径、壁厚、跨度和支承刚度等结构 特征会影响导管的固有频率，其中:管径和跨度对导管固有频率的影响较大， 随管径的增大，导管固有频率显著增大;随跨度增加，导管固有频率显著减 小;壁厚对导管固有频率影响较小，随壁厚增大，导管固有频率略减小;随支 承刚度的增大，导管的频率增加，支承刚度在小于某数值时，导管的固有频率随 支承刚度的变化明显，支承刚度大于该数值后，导管的频率随支承刚度变化不显 著。特征敏感度分析表明:跨
10、度对导管固有频率的影响最大。对于弯管，影响其 固有频率的还包括弯曲半径和转角角度等因素。弯管的基频随弯曲半径的增大而 小幅度增大;弯管的基频随着转角角度的增大而减小，在约 105达到最小，而后 随着转角角度增大而增大。参考文献1 林文钦，胡成江，朱丽，等燃油测压导管断裂分析J.失效分析与预防, 2018，13（5）：24-28.2 卢丽金，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C/中国航空结构动力学专业组第十六届学术交流会论文集.2008.3 王威，武晓龙航空发动机燃油分管断裂故障研究与实践J.机械工程师, 2014（11）：89-91.4 周杨娜，王国鹏发动机燃油导管裂纹失效分析J.科技创新与应用， 2016（22）：143-143.5 王红英，夏祥泰，王志宏，等某型机燃油输油管裂纹分析C/全国航空航天装备失效分析研讨会.2006.
