基于故障樹分析法的壓氣機(jī)振動(dòng)故障分析

楊 帆，張 倩，趙 鑫

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，其工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生振動(dòng)異常故障，嚴(yán)重者影響整機(jī)的安全性和可靠性[1]。因此國內(nèi)各大院校和廠所均投入了大量的精力進(jìn)行壓氣機(jī)的振動(dòng)研究，如文獻(xiàn)[2-5]中所述，由于振動(dòng)的形成原因十分復(fù)雜，并不能做到完全避免壓氣機(jī)振動(dòng)超限的發(fā)生。在某型壓氣機(jī)部件試驗(yàn)過程中，發(fā)生了試驗(yàn)件后支點(diǎn)徑向方向振動(dòng)異常的故障，導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，影響了該型壓氣機(jī)的研制。

本文基于Isograph的Reliability Workbench軟件，依據(jù)故障樹分析法（Fault Tree Analysis），繪制出振動(dòng)故障樹，對(duì)該振動(dòng)故障從現(xiàn)象到原因、特征以及排振方法逐步分析[6]，總結(jié)出1套壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)故障特性診斷及排除方法。

1 故障樹分析法

故障樹分析方法發(fā)展于20世紀(jì)60年代，是1種安全可靠的分析技術(shù)，也是目前故障診斷中應(yīng)用較多的方法之一。故障樹分析法廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)，適用于大型、復(fù)雜的系統(tǒng)，采用圖形化方式表達(dá)故障成因，易于理解。故障樹的組成元素包括事件和邏輯門[7]，常用符號(hào)見表1。

表1 故障樹常用符號(hào)

2 壓氣機(jī)振動(dòng)故障

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

某型壓氣機(jī)試驗(yàn)件是軸流式多級(jí)壓氣機(jī)，其葉片和輪盤為榫頭/榫槽配合，壓氣機(jī)前、后兩端各布置1個(gè)支點(diǎn)，整體為簡支結(jié)構(gòu)，前支點(diǎn)選取滾珠軸承，后支點(diǎn)選取滾棒軸承，前支點(diǎn)軸承腔采用石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，后支點(diǎn)軸承腔采用螺旋氣封結(jié)構(gòu)，均為成熟結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。各級(jí)輪盤及鼓筒均設(shè)計(jì)有甩油孔。

圖1 某型壓氣機(jī)前支點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖2 某型壓氣機(jī)后支點(diǎn)結(jié)構(gòu)

整個(gè)壓氣機(jī)部件后端通過排氣機(jī)匣與試驗(yàn)臺(tái)架排氣渦殼連接，前端與進(jìn)氣穩(wěn)壓艙軟連接，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子后軸頸與臺(tái)架傳動(dòng)軸通過套齒連接，并配備軸向力調(diào)節(jié)拉桿。在試驗(yàn)過程中振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器分別布置在壓氣機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣后安裝邊（壓氣機(jī)Ⅰ截面水平和垂直方向）和排氣機(jī)匣前安裝邊（壓氣機(jī)Ⅱ截面水平和垂直方向）上，用來監(jiān)控壓氣機(jī)前、后支點(diǎn)振動(dòng)情況。

2.2 故障現(xiàn)象

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)該型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到氣動(dòng)0.95換算轉(zhuǎn)速附近時(shí)，壓氣機(jī)后支點(diǎn)出現(xiàn)了徑向（壓氣機(jī)Ⅱ截面垂直方向）振動(dòng)異常升高現(xiàn)象，如圖3所示。從圖中可見，在6 min內(nèi)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高了460 r/min，但該截面振動(dòng)值從總量3.045g升高到6.930g，且隨轉(zhuǎn)速升高還有進(jìn)一步加重的趨勢(shì)，在試驗(yàn)現(xiàn)場立即采取在這一狀態(tài)點(diǎn)反復(fù)磨合的措施，但振動(dòng)情況并未顯著改善，導(dǎo)致試驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行，將壓氣機(jī)撤下臺(tái)排故。

圖3 某型壓氣機(jī)高轉(zhuǎn)速振動(dòng)異?，F(xiàn)象

在上述試驗(yàn)過程中，壓氣機(jī)前支點(diǎn)水平和徑向的振動(dòng)均未見異常，后支點(diǎn)水平方向振動(dòng)也沒有劇烈變化，均處于振動(dòng)限定值以內(nèi)[3-4]，各截面振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4所示。

圖4 某型壓氣機(jī)各截面振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3 故障樹分析

利用基于Isograph的Reliability Workbench軟件[8-10]對(duì)壓氣機(jī)振動(dòng)異常頂事件進(jìn)行了分析，結(jié)合該型壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和其他型號(hào)壓氣機(jī)振動(dòng)故障診斷的經(jīng)驗(yàn)[3-6]，共得到23項(xiàng)中間事件和33項(xiàng)底事件，某型壓氣機(jī)振動(dòng)異常故障樹如圖5所示。由于壓氣機(jī)各零組件的故障頻率數(shù)據(jù)庫現(xiàn)階段并不完善，因此需要對(duì)這33項(xiàng)底事件逐件進(jìn)行定性分析，主要從流體激振、機(jī)械激振和測(cè)試系統(tǒng)復(fù)查等3方面進(jìn)行分析，然后通過設(shè)計(jì)排查和實(shí)物排查2種手段，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)已有氣動(dòng)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，逐級(jí)利用排除法確定各底事件的不可用度大小，選取其中不可用度最高的底事件再進(jìn)行詳細(xì)分析，以便盡快確定振動(dòng)異常的真正原因。

2.3.1 流體激振

流體激振可分為4項(xiàng)底事件，分別為喘振、失速、軸承腔封嚴(yán)失效、轉(zhuǎn)子盤腔積油。

喘振、失速底事件可以通過試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)子葉片葉尖光纖監(jiān)測(cè)予以排除；軸承腔封嚴(yán)失效底事件通過監(jiān)測(cè)前、后支點(diǎn)軸承溫度予以排除；并通過實(shí)物檢查排除了轉(zhuǎn)子盤腔積油底事件，另外該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和前、后支點(diǎn)都并未采用阻尼器，因此，此次振動(dòng)異常并不是由流體激振所引起的，該項(xiàng)整體排除。

圖5 某型壓氣機(jī)振動(dòng)異常故障樹

2.3.2 機(jī)械激振

機(jī)械激振下一級(jí)分為6項(xiàng)中間事件，分別是系統(tǒng)振動(dòng)特性、附件和傳動(dòng)系統(tǒng)激振、轉(zhuǎn)靜子碰摩、支點(diǎn)不同心、轉(zhuǎn)子不平衡、動(dòng)剛度變化。

系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)際是對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行復(fù)查[11-13]。依據(jù)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)，振動(dòng)異常發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速并不是該型壓氣機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，且不存在局部共振的情況，該項(xiàng)排除。

附件和傳動(dòng)系統(tǒng)激振主要是由增速器和扭軸所引起的條件事件，試驗(yàn)過程中通過臺(tái)架傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控增速器和扭軸振幅，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明：在故障發(fā)生時(shí)增速器和扭軸的振幅增加幅度很小，且總量在安全范圍內(nèi)，因此該項(xiàng)排除。

轉(zhuǎn)子和靜子碰摩、轉(zhuǎn)子不平衡、動(dòng)剛度變化等3項(xiàng)中間事件均與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)，可以一起分析，共包含19項(xiàng)底事件。該型壓氣機(jī)試驗(yàn)件首次整體上臺(tái)試驗(yàn)，依據(jù)以往壓氣機(jī)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，大部分首次上臺(tái)試驗(yàn)的壓氣機(jī)振動(dòng)超限均是由磨合過程中轉(zhuǎn)、靜子局部碰摩和轉(zhuǎn)子不平衡量變化所引起的，因此此次排故工作將轉(zhuǎn)、靜子碰摩和轉(zhuǎn)子不平衡列為重點(diǎn)排查項(xiàng)。首先進(jìn)行設(shè)計(jì)排查，壓氣機(jī)平衡精度在設(shè)計(jì)時(shí)按照ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)取G1級(jí)精度[12]，裝配過程也符合圖紙和文件要求，各級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖間隙和封嚴(yán)篦齒間隙的實(shí)測(cè)值均符合圖紙要求，轉(zhuǎn)、靜子軸向間隙也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，未見超差。然后進(jìn)行實(shí)物排查，在目測(cè)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)3片第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖部位存在異常磨損情況，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該級(jí)轉(zhuǎn)子葉片所對(duì)應(yīng)的機(jī)匣涂層存在偏摩現(xiàn)象。另外對(duì)比了試驗(yàn)前后的轉(zhuǎn)子不平衡量，見表2。發(fā)現(xiàn)K1和K3修正截面的不平衡量變化顯著，試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)子不平衡量已不滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 某型壓氣機(jī)試驗(yàn)前后轉(zhuǎn)子不平衡量對(duì)比 g·mm

在支點(diǎn)不同心條目中，由于壓氣機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)子前后軸頸的同軸度在試驗(yàn)前后無變化，因此排查重點(diǎn)放在靜子承力部件上，主要復(fù)查了壓氣機(jī)排氣機(jī)匣后安裝邊的徑向和端面跳動(dòng)量，以及壓氣機(jī)后支點(diǎn)軸承座周邊各主要承力零組件的徑向跳動(dòng)量。經(jīng)跳動(dòng)檢查，各零件跳動(dòng)量均在合理范圍內(nèi)，支點(diǎn)同心不存在問題。

2.3.3 測(cè)試系統(tǒng)復(fù)查

該項(xiàng)比較簡單，主要對(duì)臺(tái)架上各測(cè)振傳感器進(jìn)行排查，不存在問題。

2.4 原因分析

通過以上故障樹排查分析，可以確定此次振動(dòng)故障的主要成因是壓氣機(jī)第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片中有3片葉尖與對(duì)應(yīng)機(jī)匣出現(xiàn)偏摩現(xiàn)象，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量發(fā)生較大變化[12-15]，這2項(xiàng)綜合作用引起了遠(yuǎn)離壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子重心的K3截面上（壓氣機(jī)后支點(diǎn)部位）的高轉(zhuǎn)速振動(dòng)異常。

葉尖異常磨損的原因可以歸納為4點(diǎn)：

（1）冷態(tài)間隙測(cè)量手段不完善，目前在裝配現(xiàn)場主要采用提拉轉(zhuǎn)子葉片排除榫頭/榫槽工作面空隙的同時(shí)利用塞尺進(jìn)行冷態(tài)葉尖間隙測(cè)量，該方法受人為因素干擾較大，工藝重復(fù)性不好，冷態(tài)間隙存在誤差。

（2）對(duì)應(yīng)機(jī)匣為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，機(jī)匣剛度在周向不如整環(huán)式結(jié)構(gòu)的均勻，存在一定的橢圓變形，在工作過程中特別是第1次磨合試車時(shí)極易出現(xiàn)偏磨情況。

（3）在裝配式的葉片/輪盤結(jié)構(gòu)中，葉片葉身長度的一致性較整體葉盤的差，雖然這種結(jié)構(gòu)中葉尖尺寸為組合加工的，但后續(xù)在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡過程中會(huì)重新排布轉(zhuǎn)子葉片的順序，打亂了原組合加工狀態(tài)下葉片和輪盤榫槽的對(duì)應(yīng)次序，造成葉身長度一致性變差。

（4）冷態(tài)葉尖間隙的設(shè)計(jì)方法不完善，目前主要依據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和以往經(jīng)驗(yàn)綜合選取，有一定誤差，因此需要1套更加完備和更加客觀的葉尖間隙計(jì)算公式，包含影響葉尖間隙的大部分因素，例如軸承游隙和機(jī)匣跳動(dòng)量等細(xì)小因素。

3 排故措施

完成故障原因分析后，采用適當(dāng)?shù)呐殴蚀胧?duì)磨損的葉尖部位進(jìn)行拋修，重新對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，保證平衡精度，利用轉(zhuǎn)子堆疊系統(tǒng)裝配，累積調(diào)整各配合面徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)，并錯(cuò)相位調(diào)整配合面的高低點(diǎn)，保證轉(zhuǎn)子前后支點(diǎn)的同軸度，并在裝配過程中重點(diǎn)測(cè)量并調(diào)整了葉尖間隙，排除了該振動(dòng)故障，在后續(xù)試驗(yàn)過程中再未出現(xiàn)振動(dòng)異常問題。

4 結(jié)束語

基于Isograph的Reliability Workbench軟件對(duì)某型壓氣機(jī)振動(dòng)異常進(jìn)行故障樹繪制，排除了振動(dòng)故障，對(duì)壓氣機(jī)振動(dòng)故障的形成機(jī)理進(jìn)行梳理，具有一定的代表性，可以為后續(xù)壓氣機(jī)排振工作提供參考。

Reliability Workbench這類可靠性設(shè)計(jì)軟件需要相關(guān)數(shù)據(jù)庫配套[14]使用，國內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性方面的數(shù)據(jù)庫建設(shè)剛剛起步，尚達(dá)不到軟件中機(jī)電元器件類那樣完備的程度[14]，還做不到定量計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不可用度和故障概率等可靠性指標(biāo)，僅能進(jìn)行初步的定性分析，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)據(jù)庫逐漸完善，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)、更加客觀的故障率定量計(jì)算。

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