某型齒輪箱試驗(yàn)件振動(dòng)幅值異常波動(dòng)故障探討

李寶剛

摘要：齒輪箱在試驗(yàn)過(guò)程很容易出現(xiàn)振動(dòng)狀況，一旦振動(dòng)狀況較為嚴(yán)重產(chǎn)生異常波動(dòng)，必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成直接影響，不利于齒輪箱試驗(yàn)件的最終質(zhì)量?；诖?，本文以某型齒輪箱試驗(yàn)件為基礎(chǔ)，先行針對(duì)齒輪箱試驗(yàn)件的振動(dòng)幅值異常波動(dòng)故障展開(kāi)深入分析，繼而針對(duì)故障詳情進(jìn)行全方面檢查，繼而指明某型齒輪箱試驗(yàn)件振動(dòng)幅值異常波動(dòng)故障的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：齒輪箱;振動(dòng)幅值;異常波動(dòng)故障

前言：齒輪傳動(dòng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中起著重要的作用。在導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中停機(jī)的故障中，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障占很大比例。通常情況下，加速度傳感器只能安裝在箱體表面來(lái)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。由于振動(dòng)信號(hào)不是直接在被監(jiān)測(cè)齒輪上測(cè)量的，它受到設(shè)備其他部位的傳動(dòng)路徑和振動(dòng)的影響，往往含有大量的噪聲，甚至抑制有用的故障信息。因此，提高關(guān)鍵傳動(dòng)齒輪箱的質(zhì)量和可靠性對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和可靠性具有重要的作用。

一、故障分析

1.振動(dòng)情況分析

在載荷試驗(yàn)安裝條件未完成，且在零件及目視檢查結(jié)果未出現(xiàn)異常的特殊情況下，需要對(duì)齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)分析，而在不需要拆卸相關(guān)試驗(yàn)PCS/套的情況下，也可以通過(guò)觀察收集到的已安裝部件相關(guān)測(cè)試的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定，對(duì)原零件進(jìn)行故障分析和準(zhǔn)確定位，并準(zhǔn)確確定零件是否需要返回工廠進(jìn)行拆卸。通過(guò)檢查后的負(fù)載工況振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載測(cè)試運(yùn)行期間開(kāi)始的荷載傳遞頻率測(cè)試工作負(fù)載的振動(dòng)穩(wěn)定性狀況良好，工作負(fù)載20 h開(kāi)始后不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)頻率高，且仍有顯著幅值較大的襟翼，持續(xù)載荷試驗(yàn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)載荷傳遞頻率為兩倍和波動(dòng)頻率較大的兩倍，并且在某些特殊情況下，在這種情況下，在振動(dòng)狀態(tài)下，荷載傳遞頻率的第二頻率倍頻遠(yuǎn)大于或大于其他倍頻分量也會(huì)發(fā)生。點(diǎn)頻故障發(fā)生當(dāng)日高頻振動(dòng)信號(hào)頻率與其他頻率加倍數(shù)載荷振動(dòng)信號(hào)對(duì)比明顯增加，分布負(fù)荷運(yùn)行在運(yùn)行過(guò)程中中心各工況的振動(dòng)和偶爾出現(xiàn)的高頻和大振幅振動(dòng)，雖然沒(méi)有明顯的周期性振動(dòng)，但通過(guò)快速調(diào)整振動(dòng)狀態(tài)可以很快恢復(fù)平衡穩(wěn)定后。

2.安裝狀態(tài)分析

主機(jī)軸承系統(tǒng)正常運(yùn)行后，及時(shí)跟蹤并校核對(duì)中張力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸入機(jī)一側(cè)主軸高度的水平傾斜方向和垂直傾斜方向存在明顯的較大偏差。進(jìn)給軸兩端水平傾斜方向偏差0.094mm，垂直傾斜方向偏差0.324mm。一個(gè)輸出軸兩端高度水平方向偏差0.121mm，垂直方向偏差0.023mm。同日，發(fā)現(xiàn)異常徑向輸出數(shù)量被發(fā)現(xiàn)漂浮在人機(jī)軸軸承的連接能力測(cè)試當(dāng)天，和長(zhǎng)度的垂直輸出浮動(dòng)量在主軸端輸入機(jī)器是0.40毫米的百分比衡量?jī)x器時(shí)，明顯大于鋼軸承底座安裝螺栓間隙0～0.043mm。扳手檢查輸入軸的輸出同側(cè)浮膜和底盤浮聯(lián)軸器螺栓的安裝情況，當(dāng)使用手扳手檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)在輸入輸出膜和底盤的一側(cè)有4個(gè)以上的餃子浮動(dòng)聯(lián)軸器螺栓，而在緊固時(shí)螺栓通過(guò)的拉力和扭矩明顯不足（已變得松動(dòng)），機(jī)殼和軸承座之間幾乎沒(méi)有松動(dòng)緊密性。當(dāng)天拆下軸承端蓋，檢查安裝太陽(yáng)輪兩端的軸承端蓋和軸承兩側(cè)的壓盤部件。確認(rèn)軸承部件的相對(duì)緊度位置正常，壓板上的螺栓和防緊標(biāo)記完好。

3.故障分析

異常振動(dòng)波動(dòng)試樣的峰值事件，可直接分解和確認(rèn)為異常振動(dòng)體的兩個(gè)附帶測(cè)試齒輪箱驅(qū)動(dòng)身體的異常振動(dòng)的測(cè)試，和身體的振動(dòng)故障的測(cè)試該齒輪箱。由于試驗(yàn)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可由齒輪零件驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)軸承零件、齒輪箱等緊固件有分類。故障發(fā)生時(shí)檢驗(yàn)員正在檢測(cè)齒輪箱本體的異常振動(dòng)，齒輪箱上的三通加速度振動(dòng)傳感器的振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有異常。可直接判斷齒輪振動(dòng)是否來(lái)自試件上的齒輪箱。如果齒輪振動(dòng)分別從兩個(gè)齒面，因?yàn)檠例X是相互的兩輪，兩個(gè)都兩個(gè)齒面齒輪嚙齒動(dòng)物凝集重復(fù)一個(gè)單詞的振動(dòng)周期毫秒級(jí)別超過(guò)十分鐘，振幅值的變化也可以響應(yīng)的周期性，但發(fā)現(xiàn)齒輪振動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)和時(shí)間間隔的蜱蟲(chóng)小時(shí)毫秒級(jí)，與測(cè)試齒輪表面振動(dòng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)之間幾乎沒(méi)有關(guān)系，和視覺(jué)檢查通過(guò)觀察窗顯然沒(méi)有找到任何破碎的牙齒或膠水放松現(xiàn)象在盒子上牙齒表面。如果振動(dòng)是由于內(nèi)螺柱螺釘拉絲螺栓松動(dòng)或中間部分表面螺柱螺釘振動(dòng)狀態(tài)引起的現(xiàn)象，則認(rèn)為是振動(dòng)頻率不斷增加的狀態(tài)，并對(duì)增加頻率的振動(dòng)響應(yīng)應(yīng)因傳遞頻率多倍頻或倍頻而振動(dòng)，與不完全匹配的異常振動(dòng)現(xiàn)象，并通過(guò)對(duì)安裝部件的檢查完全排除了轉(zhuǎn)角螺栓松動(dòng)的可能性。

二、故障檢查

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試的齒輪箱軸承拆拆卸檢查，可以得知輸入軸和輸出軸齒輪和軸兩邊的齒輪軸的表面和滾子軸承外圈表面的滾柱軸承間隙配合之前一切正常，但輸入二圓柱齒輪和軸齒花鍵側(cè)端鎖緊前滾子齒輪軸承內(nèi)圈仍松動(dòng)，過(guò)盈配合仍失效，軸向外圈有較大間隙，配合間隙底部有一層暗紅色的白色油泥，進(jìn)一步了解拆卸檢查由于在齒輪和軸的輸入過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)齒輪花鍵側(cè)缸鎖緊螺母軸承軸在拆卸時(shí)的瞬間微小，輸出軸側(cè)兩列錐度滾子齒輪和軸承內(nèi)圈前雖然有一定的徑向滑動(dòng)同時(shí)輸入兩個(gè)軸都是輕微的。根據(jù)以上拆卸檢查的分析，可以看到滾子齒輪軸的內(nèi)圈和外圈按相對(duì)徑向移動(dòng)，干涉被軸承完全磨掉，導(dǎo)致在滾子軸承和齒輪軸之前的外圈有較大的相對(duì)徑向滑動(dòng)間隙。軸承外圈安裝的密封段在相對(duì)方向上無(wú)明顯的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象痕跡，而用于壓縮滾子軸承的內(nèi)圈密封段沿軸承圓周的相對(duì)方向基本無(wú)滑動(dòng)現(xiàn)象痕跡?？梢酝茢喑鰞?nèi)圈的相對(duì)滑動(dòng)不是一次性滑動(dòng)，但通過(guò)逐步下滑，也就是說(shuō)，可以解釋為什么它的容量會(huì)增加隨機(jī)突然加速振動(dòng)和降低振動(dòng)的振動(dòng)速度的能力可以讓它回到穩(wěn)定，直到最后一個(gè)和軸承的內(nèi)圈松動(dòng)，到達(dá)完全停止仍然不能完全消除振動(dòng)。

三、改進(jìn)措施

在齒輪箱試驗(yàn)件振動(dòng)幅值異常波動(dòng)故障中，內(nèi)環(huán)滑脫是齒輪箱失效的主要原因。根據(jù)裝配記錄表，裝配處的干涉量約為0.01mm，符合設(shè)計(jì)要求。發(fā)現(xiàn)分解檢查軸承內(nèi)圈軸承和軸之間的內(nèi)圈端面有明顯的圓周磨痕的臉，并配合齒輪和齒輪軸軸封部分盈余合作，沒(méi)有圓周運(yùn)動(dòng)的痕跡，和端面壓緊螺母鎖緊墊圈沒(méi)有故障出現(xiàn)壓縮力下降，可以推斷出，鎖緊螺絲，有多個(gè)傳輸路徑上的干涉配合結(jié)構(gòu)母公司的軸向壓縮力，軸向壓縮驅(qū)動(dòng)力并不是完全轉(zhuǎn)移到滾柱軸承的內(nèi)圈，否則會(huì)有很大的軸向壓縮驅(qū)動(dòng)力的損失。在今后的軸承設(shè)計(jì)中，在軸承內(nèi)圈壓縮力不傳遞的路徑上，應(yīng)盡可能采用多過(guò)渡過(guò)盈配合或小軸承間隙過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)，以保證軸承內(nèi)圈的過(guò)盈壓實(shí)。另一方面，由于軸承加工精度的限制，如軸承圓柱度和其他因素，的滾子軸承內(nèi)圈和軸的齒輪軸不是完全相互接觸，導(dǎo)致進(jìn)一步顯著減少的面積過(guò)盈配合接觸點(diǎn)。通過(guò)對(duì)有限元的分析和檢查，可以看到在正常情況下，當(dāng)干涉接觸點(diǎn)面積顯著減小時(shí)，軸承內(nèi)圈接觸面反力迅速減小。為了有效避免軸承加工過(guò)程中由于精度低而引起的滾子軸承內(nèi)圈松動(dòng)，還需要仔細(xì)考慮在本次設(shè)計(jì)中是否使用帶防松旋轉(zhuǎn)墊片裝置的內(nèi)圈滑脫鎖緊軸承。

試驗(yàn)過(guò)程中齒輪箱試驗(yàn)部件的振動(dòng)幅值波動(dòng)和分解檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。任何旋轉(zhuǎn)零件都存在殘余不平衡，只是其尺寸和方向角度不同。在本文中，動(dòng)力渦軸齒輪箱試件和1號(hào)軸承前密封圈總成存在殘余不平衡。動(dòng)力透平軸是不平衡矢量和零件的總不平衡量，當(dāng)齒輪箱試驗(yàn)件形狀良好時(shí)，密封延環(huán)部件與動(dòng)力透平軸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，動(dòng)力透平軸向不穩(wěn)定的平衡關(guān)系和矢量為一定幅值變化，針對(duì)機(jī)械動(dòng)力渦輪軸類零件的測(cè)量節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的基頻幅穩(wěn)定度。所以當(dāng)機(jī)械動(dòng)力透平系軸與軸密封件之間關(guān)閉延環(huán)滑動(dòng)時(shí)，相對(duì)徑向滑動(dòng)由于兩個(gè)矢量之間的徑向夾角的變化，矢量也隨之變化，因此軸的不穩(wěn)定平衡和矢量之間的關(guān)系作為整個(gè)機(jī)械動(dòng)力渦輪軸和軸封關(guān)閉的延環(huán)滑動(dòng)部件相對(duì)徑向滑動(dòng)并產(chǎn)生相應(yīng)的變化，所以故障主要發(fā)生在齒輪箱的前端，和齒輪箱的測(cè)試前套管相對(duì)徑向渦輪轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的角度是一致的，所以齒輪箱的使用測(cè)試片的前端相對(duì)徑向滑動(dòng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)力渦輪機(jī)軸轉(zhuǎn)子基頻幅值不穩(wěn)定，振幅周期變化的周期稱為齒輪軸和軸的閉緊環(huán)滑動(dòng)部件的相對(duì)徑向滑動(dòng)周期。

結(jié)束語(yǔ)：總而言之，試件的振動(dòng)表現(xiàn)為比頻率大一倍的頻率和快速波動(dòng)，1 h左右的幅值出現(xiàn)過(guò)一次異常，而速度、扭矩、溫度、壓力等慢變量數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯異常。通過(guò)完善的振動(dòng)分析，找出了故障產(chǎn)生的原因。振動(dòng)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)數(shù)據(jù)診斷在試驗(yàn)安全和試驗(yàn)狀態(tài)分析中起著重要作用，可以提前避免更嚴(yán)重的故障現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)階段，需要考慮更多的故障可能性，并有針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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