某航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承故障振動(dòng)分析

任帥 陳大力 李勝斌

摘 要：基于某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)測振動(dòng)特征，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中出現(xiàn)的振動(dòng)異常進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，異常振動(dòng)是由保持架碰磨外圈引起，分解檢查發(fā)現(xiàn)主軸承保持架斷裂故障，驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);軸承故障;振動(dòng)分析

主軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其故障可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)葉片碰磨折斷或轉(zhuǎn)子卡滯，影響飛行安全。受安裝空間的限制，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)一般位于外機(jī)匣，使得通過振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)主軸承故障尤為困難[1]。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)屬中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在試車臺(tái)進(jìn)行到總壽命試驗(yàn)再次起動(dòng)到地面慢車狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)明顯增大并超過限制值、金屬性報(bào)警信號(hào)燈亮，發(fā)動(dòng)機(jī)立即停車。本文通過對(duì)實(shí)測振動(dòng)信號(hào)的分析，研究了該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)大以及金屬屑報(bào)警的原因。研究結(jié)果表明，綜合運(yùn)用振動(dòng)分析方法，能夠比較快速準(zhǔn)確定位故障，為該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)排故技術(shù)支持。

1概述

該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子（簡稱Np）和燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子（簡稱Ng）。根據(jù)型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)機(jī)匣振動(dòng)測點(diǎn)，測點(diǎn)位置及代號(hào)如下：

T45——渦輪機(jī)匣徑向45°;

T315——渦輪機(jī)匣徑向315°;

Fz——附件機(jī)匣垂直。

3個(gè)測點(diǎn)都使用高溫壓電加速度計(jì)，該加速度計(jì)具有耐高溫、頻響寬、體積小、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)機(jī)匣惡劣的工作環(huán)境。測得的加速度信號(hào)同時(shí)經(jīng)過軟件和硬件分別進(jìn)行積分和帶通濾波，并行監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量。

2振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2.1早期振動(dòng)特征

該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行總壽命試驗(yàn)早期，最大連續(xù)狀態(tài)的振動(dòng)頻譜見圖1，由圖1可得：Np和Ng旋轉(zhuǎn)頻率分別為347.9Hz和722.7Hz，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率及倍頻譜線清晰，無異常振動(dòng)成分出現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)總量最大為7.0mm/s。

2.2中后期振動(dòng)特征

在完成85%總壽命試驗(yàn)以后，該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)突然增大，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)頻譜見圖2。由圖2可得：Np和Ng旋轉(zhuǎn)頻率分別為347.9Hz和725.1Hz，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率及倍頻譜線清晰，無異常振動(dòng)出現(xiàn)（178Hz為發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率），穩(wěn)態(tài)振動(dòng)總量達(dá)21.5mm/s，相對(duì)圖1各測點(diǎn)振動(dòng)總量增幅都超過200%，振動(dòng)增大由Ng旋轉(zhuǎn)頻率增大引起。

2.3后期振動(dòng)特征

該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)后期慢車狀態(tài)振動(dòng)瀑布圖見圖3，最后1次試驗(yàn)振動(dòng)頻譜見圖4。

由圖3可得：Np和Ng旋轉(zhuǎn)頻率分別為261.2Hz和651.9Hz，在255～276Hz以及376～398Hz各出現(xiàn)異常振動(dòng)峰值，此2頻率數(shù)值不穩(wěn)定、數(shù)值之和嚴(yán)格等于Ng旋轉(zhuǎn)頻率。故認(rèn)為此振動(dòng)由Ng轉(zhuǎn)子引起，而255～276Hz與Ng旋轉(zhuǎn)頻率之比為0.390～0.423，接近軸承保持架故障特征頻率的經(jīng)驗(yàn)值0.4，Ng轉(zhuǎn)子采用1-1-0的支承方式，懷疑該異常振動(dòng)由Ng后軸承保持架故障引起。

查發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，Ng后軸承為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)外圈固定的圓柱滾子軸承，主要參數(shù)為：節(jié)圓直徑62.7mm、滾動(dòng)體直徑7mm、滾動(dòng)體數(shù)為18、保持架為外圈引導(dǎo)，可得保持架碰磨軸承外圈故障特征頻率[2]為：

基本確定此異常振動(dòng)Ng后主軸承保持架撞擊外圈引導(dǎo)面引起。

由圖4可得：Np和Ng旋轉(zhuǎn)頻率分別為347.9Hz和705.6Hz，F(xiàn)z穩(wěn)態(tài)振動(dòng)總量達(dá)65mm/s超過該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)限制，振動(dòng)超限由Ng轉(zhuǎn)子基頻引起;各測點(diǎn)1409Hz振動(dòng)幅值都超過10mm/s明顯超過圖1和圖2，說明Ng轉(zhuǎn)子不對(duì)中，結(jié)合此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬屑報(bào)警，確定Ng主軸承存在保持架故障。

2.4 機(jī)理分析

滾動(dòng)軸承的故障特征計(jì)算公式建立在滾子和軸承內(nèi)環(huán)線速度相等的基礎(chǔ)上，由于滾子或滾道加工誤差等原因，實(shí)際工況下內(nèi)圈和滾子線速度不可能嚴(yán)格相等。下面以振動(dòng)瀑布圖時(shí)序分析圖4的振動(dòng)機(jī)理：

在t=0.4秒時(shí)刻，保持架與外圈引導(dǎo)面發(fā)生碰撞出現(xiàn)275.9Hz振動(dòng)峰值;碰撞逐漸加劇實(shí)際的保持架碰撞外圈引導(dǎo)面的頻率數(shù)值逐漸下降，到t=15.6秒時(shí)刻降至268.6Hz;隨碰撞的進(jìn)一步加劇，在t=53.7秒時(shí)刻該頻率降至最低的255.1Hz，碰撞在接近60秒時(shí)刻突然消失，此時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器后主軸承達(dá)到新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3分解檢查

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超限并且金屬屑報(bào)警，該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)立刻下臺(tái)分解，分解檢查發(fā)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器后主軸承保持架外圈引導(dǎo)面磨損嚴(yán)重、保持架出現(xiàn)1處掉塊和多處貫穿性縱向裂紋，斷裂處的形貌見圖5，分解檢查結(jié)果驗(yàn)證了振動(dòng)分析的正確性。

4.結(jié)論

由于中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速高，軸承工作環(huán)境非常惡劣，通過機(jī)匣振動(dòng)來監(jiān)測軸承的工作狀態(tài)存在很大困難。本文通過分析某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不同階段的振動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器后主軸承與保持架碰撞外圈故障特征頻率相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值、轉(zhuǎn)子不對(duì)中，最終引起振動(dòng)超限和金屬屑報(bào)警，據(jù)此判斷后主軸承保持架碰磨，分解檢查結(jié)果驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦海勤，徐可君，劉忠華，王永旗. 某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車異常振動(dòng)故障診斷[J]. 噪聲與診斷控制，2010，4：81-84.

[2] 鄧曉亮，任帥. 某多級(jí)軸流壓氣機(jī)故障振動(dòng)分析[J].電子世界，2018，17：83-84.