某型發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承工作監(jiān)控的探討

王行江　劉建勛　張偉

摘要：主軸承故障是某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)的多發(fā)性、危險(xiǎn)性故障。針對(duì)主軸承所存在的問題，探討了部隊(duì)現(xiàn)行的主軸承狀態(tài)監(jiān)控的主要措施，就進(jìn)一步改進(jìn)某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合監(jiān)控措施提出可行性建議。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)控振動(dòng)

中圖分類號(hào)：U464.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0089-01

某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承是指支承發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，是高、低壓轉(zhuǎn)子的主支點(diǎn)，共有6個(gè)。主軸承工作環(huán)境惡劣，加上發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上的缺陷，導(dǎo)致故障率高、危害性大。為了有效預(yù)防軸承故障，目前主要采用滑油監(jiān)控、軸承“三項(xiàng)值”檢查及振動(dòng)監(jiān)控等三種監(jiān)控技術(shù)手段。通過對(duì)主軸承的監(jiān)控，部分故障得到了一定的控制，但主軸承失效仍然是危及飛行安全的主要問題。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作，需要進(jìn)一步完善主軸承的狀態(tài)監(jiān)控措施。本文對(duì)部隊(duì)現(xiàn)行的主軸承監(jiān)控措施存在的問題進(jìn)行了分析，并就進(jìn)一步完善對(duì)某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承的綜合監(jiān)控措施，提出改進(jìn)建議。

1主軸承及其故障情況概述

某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)服役部隊(duì)多年，從部隊(duì)使用維修情況來看，某些關(guān)鍵部件的質(zhì)量安全問題非常突出，故障層出不窮。通過梳理該系列發(fā)動(dòng)機(jī)在多年的使用和修理過程中暴露的1000多起較大故障，并對(duì)主要的多發(fā)性、危險(xiǎn)性故障進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)該系列發(fā)動(dòng)機(jī)所暴露的故障中，由于設(shè)計(jì)和制造缺陷造成的占絕大多數(shù)。目前，直接危及飛行安全的主要問題是發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承失效。

主軸承故障中，三號(hào)支點(diǎn)和五號(hào)支點(diǎn)軸承故障率高、危害性大，占所有主軸承失效故障的90%以上，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全的主要故障。故障原因主要是設(shè)計(jì)缺陷：一是兩大軸承均位于高、低壓轉(zhuǎn)子間，工作環(huán)境惡劣，承受的負(fù)荷也較大；二是潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善，軸承潤滑散熱不好。這兩大軸承故障屬于高危故障，尤其是五號(hào)支點(diǎn)軸承故障，可導(dǎo)致高低壓渦輪軸抱軸、斷裂，引起發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，極有可能造成嚴(yán)重飛行事故。

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承在高溫、高速以及復(fù)雜的載荷環(huán)境下工作，工作環(huán)境十分惡劣。由于載荷的復(fù)雜性和不確定性，加之潤滑條件、裝配以及材料、結(jié)構(gòu)尺寸誤差等軸承內(nèi)在的隨機(jī)性因素，使得發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承失效模式呈現(xiàn)復(fù)合性、多樣性。按過去的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行嚴(yán)格的飛行小時(shí)數(shù)（總循環(huán)累積）控制，不能有效避免維護(hù)周期內(nèi)主軸承突然失效問題的發(fā)生。因此，從外場(chǎng)飛行的安全性出發(fā)，對(duì)某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承采取相關(guān)的綜合監(jiān)控措施，對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性具有十分關(guān)鍵的作用。

2現(xiàn)行監(jiān)控措施及其存在的問題

滑油監(jiān)控、軸承“三項(xiàng)值”檢查和飛參振動(dòng)監(jiān)控，是目前外場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承故障的三項(xiàng)主要手段，綜合運(yùn)用三種手段可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障征兆，將大部分軸承故障把在地面。但是，目前的技術(shù)手段仍然存在很大的局限性。比如，滑油分析和軸承“三項(xiàng)值”檢查只能在地面進(jìn)行，而從部隊(duì)監(jiān)控現(xiàn)狀來看，軸承故障在很多情況下具有隱蔽性，早期損傷很難發(fā)現(xiàn)，在地面檢查正常的情況下，也不能排除在空中軸承發(fā)生異常的可能性。一旦在空中出現(xiàn)軸承工作異常，飛參振動(dòng)監(jiān)控又無法實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承損傷的提前告警，在這種情況下，現(xiàn)有的監(jiān)控措施就顯得無能為力，往往只能等到軸承嚴(yán)重破壞，振動(dòng)值超限，出現(xiàn)“CO”信號(hào)告警，引起發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重飛行事故。針對(duì)上述問題，迫切需要研究空中軸承損傷提前告警的技術(shù)措施。

3基于振動(dòng)分析的主軸承監(jiān)控措施探討

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)是很復(fù)雜的，激振源主要有轉(zhuǎn)子激振源、氣動(dòng)激振源、軸承激振源、齒輪激振源等。機(jī)載傳感器測(cè)量的振動(dòng)值是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件工作狀況的綜合反映，其限制值主要是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件和外部附件不至于遭受振動(dòng)破壞，軸承振動(dòng)信號(hào)比較復(fù)雜，相對(duì)于其它激振源較弱，其監(jiān)測(cè)往往根據(jù)特點(diǎn)采用專門的方法進(jìn)行，因此用振動(dòng)總量來監(jiān)控軸承實(shí)際上有很大的不確定性。

現(xiàn)有的飛參振動(dòng)監(jiān)控措施局限性很大，發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)工作時(shí)用于振動(dòng)監(jiān)控的只有一個(gè)振動(dòng)傳感器，且只能對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加之振動(dòng)傳感器距離主軸承較遠(yuǎn)，無法直接反映由主軸承損傷導(dǎo)致的振動(dòng)值增大情況，這使得所得到的振動(dòng)值的可用性和有效性受到很大影響。為此，根據(jù)一些文獻(xiàn)中介紹的基于振動(dòng)分析的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，結(jié)合某型系列發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，提出以下改進(jìn)措施。

3.1 在現(xiàn)有一個(gè)振動(dòng)信號(hào)測(cè)試點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加振動(dòng)信號(hào)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量

選擇測(cè)試點(diǎn)時(shí)，盡量選擇能夠直接反映軸承損傷狀況的、距離3號(hào)支點(diǎn)軸承和5號(hào)支點(diǎn)軸承較近的位置。這樣可以大大增加所測(cè)得振動(dòng)值的可靠性，從而使得根據(jù)振動(dòng)值的變化特點(diǎn)來判斷主軸承是否損傷更加有效，且有利于發(fā)現(xiàn)軸承的早期損傷。

3.2 增加所采用的振動(dòng)傳感器的類型

結(jié)合國內(nèi)外研究人員在進(jìn)行滾動(dòng)軸承振動(dòng)分析時(shí)廣泛選用的振動(dòng)傳感器類型，根據(jù)滾動(dòng)軸承損傷所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)，可以考慮增加采用振動(dòng)加速度傳感器，這樣能夠克服只采用振動(dòng)速度傳感器不能全面精確地反映軸承振動(dòng)特征的缺點(diǎn)。

3.3 提高振動(dòng)傳感器的采樣頻率

為了能夠?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取出不同頻段的振動(dòng)能量分布情況，從而更有效地對(duì)軸承進(jìn)行故障診斷，需要提高振動(dòng)傳感器的采樣頻率。同時(shí)，為了適應(yīng)這一改變，需要增加飛參記錄器的存儲(chǔ)容量，來滿足振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)記錄的需要。

3.4 采用更為先進(jìn)的振動(dòng)信號(hào)處理與分析算法

目前在發(fā)動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控實(shí)施過程中，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察其表象特征，根據(jù)振動(dòng)曲線上的幅值、尖峰、臺(tái)階、漸變等信息來判斷軸承工作狀況，這種方法具有很大的隨意性，實(shí)際實(shí)施過程中很不嚴(yán)格。為此，可以考慮應(yīng)用先進(jìn)的振動(dòng)信號(hào)特征提取和故障診斷技術(shù)，利用先進(jìn)的信號(hào)處理算法深入分析軸承振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，客觀全面地反映軸承的振動(dòng)特征，從而更為有效地進(jìn)行軸承故障診斷。

4結(jié)語

本文提出的上述措施，必將大大提高基于振動(dòng)分析的主軸承狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的有效性。當(dāng)然，這些措施實(shí)施起來并非易事，需要克服的難點(diǎn)和解決的關(guān)鍵技術(shù)很多。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)上工作的主軸承發(fā)生不同類型的早期損傷以后，將會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生怎樣的變化，不同的損傷怎樣進(jìn)行區(qū)分，目前并不是很清楚。要獲得這些信息，必須做大量的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步深入的研究。

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