消除引起某類航空發動機振動兩方面外因的措施

張蔭鰲　鄭明　辛彥秋

摘 要：文章對采用滾動軸承為主支點的燃氣渦輪航空發動機主軸承振動損傷的問題進行了研究。從原理上論述了主軸承損傷會引起發動機振動，分析了環境清潔度和無潤滑狀態磕碰對發動機軸承損傷的影響，介紹了國外民航發動機在這兩方面的保護措施，并給出具體建議措施。

關鍵詞：航空發動機；振動；軸承；清潔度；磕碰

前言

采用滾動軸承為主支點的燃氣渦輪航空發動機因振動故障分解故檢時，有些會發現主軸承損傷的情況。主軸承損傷會引起發動機的振動，而發動機的振動又會使主軸承的損傷進一步加劇，產生惡性循環。除了軸承本身及其環境（發動機承力部件和潤滑系統）的設計、制造質量等內在因素外，導致主軸承損傷還有常常被忽視的外在因素——軸承保護不當。通過對國外民航發動機維護修理過程調研分析，筆者認為我們在環境清潔度和防止軸承無潤滑狀態磕碰兩方面仍有許多工作要做。

1 航空發動機軸承工作環境概述

航空發動機轉子的載荷通過軸承傳遞到靜子承力機匣上。軸承分為滾棒軸承和滾珠軸承，滾棒軸承只傳遞徑向載荷，而滾珠軸承既傳遞徑向載荷也傳遞軸向載荷。主軸軸承的分布形式構成了航空發動機基礎結構支承方案。圖1所示為以CFM56為代表的某一類典型航空發動機結構簡圖，它包含5個主軸承，2個承力框架（風扇支承和渦輪支承，對應著2個滑油腔/集油池），將其中主軸承的徑向力和軸向力傳遞出來。1號（滾珠軸承）、2號和5號主軸承形成低壓轉子0-2-1支承方案，3號（滾珠軸承）和4號主軸承形成高壓轉子1-0-1支承方案，4號主軸承（中介軸承）將高壓轉子后支點支撐在低壓轉子上。1、2和3號主軸承位于前滑油腔（集油池）；4號和5號主軸承位于后滑油腔（集油池）。

目前，常規航空發動機上的軸承仍是以滾動軸承為主，工作時高速轉動。尤其是主軸軸承，無論是滾珠還是滾棒軸承工作時都是在重載荷下高速旋轉。因此，航空發動機軸承是非常精密的，工作時不但要有充分的潤滑，而且潤滑劑必須優質清潔。一旦有雜質進入軸承，工作時就很可能造成軸承損傷，進而引起發動機振動。

當然航空發動機除了主軸軸承外，還有許多其他傳動系統軸承，通常大部分軸承是處于相通的主潤滑系統中。轉子（多數是高壓轉子）通過傳動系統帶動增壓泵、回油泵和通風器等附件驅動滑油在潤滑系統中循環工作。潤滑系統中的油濾雖然可以極大地減少雜質污染到軸承，但是無法完全避免，因為隨著油濾精細度增加，流阻也相應增大，到一定程度就會影響潤滑效果，因此油濾精細度受到流阻的制約。由于潤滑系統是相通的，任何部位出現污染，微小顆粒就可能會污染整個潤滑系統。此外，油濾后端軸承潤滑腔初始清潔度的嚴格控制，也是軸承可靠工作的必要條件。

2 保持環境清潔度方面的措施

保證航空發動機潤滑系統清潔度，主要是通過控制航空發動機修理或裝配環境清潔度來實現。因此，航空發動機修理或裝配都使用封閉空調廠房。

國內航空發動機裝配修理采用的封閉空調廠房，環境基本是清潔的，但程度不夠。尤其在北方難于抵御較大的風沙或揚沙天氣，人員或物品進出廠房及門窗縫隙都可能會使沙塵進入。保持廠房內氣壓略高于外部環境壓力并在門口使用氣幕將有效防止沙塵進入廠房。

對于發動機裝配或修理過程中會產生硬質顆粒污染的工序還要進行物理隔離。軸承故撿測量工序需設置專用無塵恒溫間，在門口設置更衣風淋室，只有專業檢驗人員允許進入。風淋室一側具有吹風裝置，另一側安裝吸塵裝置，專業檢驗人員先進入風淋室脫掉外衣和鞋，再換上專用清潔外衣和鞋才能進入檢測室。這樣不僅可以避免沙塵或硬質顆粒污染到軸承，還能有效降低軸承磁化和磕碰的風險。

3 防止軸承無潤滑狀態磕碰方面的措施

如前所述，航空發動機主軸軸承是處于重載荷下高速旋轉的工作狀態，工作時需要進行充分的潤滑。而潤滑系統的運轉是通過傳動系統由發動機轉子驅動的。軸承裝配后，只要發動機不工作，潤滑系統也就不起作用，此時軸承得不到滑油的保護。在軸承沒有滑油保護的情況下，由于轉子很重，在后續的裝配翻轉、周轉及運輸時產生的振動都會使內外圈和滾子發生硬性磕碰的可能，從而導致微小非工作損傷。發動機工作時，重載荷下高速旋轉的工作狀態則會使軸承這種微小的損傷迅速加劇，造成廠內試車或外場使用時發動機振動過大、短時間內軸承損傷的故障。曾有發動機出現廠內試車或外場使用短時間內主軸承損傷的故障，這種現象很可能與軸承裝配后發生了無潤滑狀態磕碰損傷有關。

為了避免軸承在無潤滑狀態下磕碰損傷的發生，國外民航發動機在裝配或修理時，針對發動機整機或裝配有主軸承轉子的部件采取了如下一系列措施：

3.1 工藝控制翻轉次數和幅度

一般只允許核心機從豎直裝配狀態轉90度至水平裝配狀態的一次翻轉，在水平狀態核心機與風扇及低壓渦輪對接，再安裝附件、管路等外部機件至完成整機裝配。風扇單元體始終處于水平狀態裝配。

3.2 廠內運輸要求

廠內運輸要求首先是路面平滑。如果運輸車沒有減振措施，則需要盡量慢的移動，一般不要高于0.8千米/小時；如果運輸車具有彈性支承、振動吸收裝置、充氣或彈性材料輪胎，則運輸速度可適當提高，一般也不要高于4.8千米/小時。

某種民航發動機常用運輸車（也可作為運輸托架）具有減振裝置，帶有供叉車搬運的插孔，當4個可折起的輪子折起后，可作為運輸托架使用，并帶有繩索固定環。也可使用叉車通過這種托架將發動機從裝配廠房運到試車廠房。

3.3 遠距離陸路運輸

禁止鐵路運輸。為避免發動機損傷，公路運輸必須使用具備氣囊減振的卡車，并按要求固定托架。如果使用了不帶氣囊減振的卡車運輸，必須將發動機返廠分解，進行針對軸承損傷的檢查。

4 建議措施

4.1 環境清潔度方面

在裝配廠房建設或改造時，使廠房內氣壓略高于環境壓力，并在大門口設置氣幕，軸承檢測間門口設置更衣風淋室。

4.2 軸承無潤滑狀態磕碰方面

（1）研究全部航空發動機和燃氣輪機的廠外運輸使用氣囊減振卡車或包裝箱增加減振裝置的可行性。（2）裝配有主軸承的部件或整機翻轉、周轉、運輸和使用吊車時要緩慢平穩，不可出現沖擊力。必經道路（如裝配車間到試車臺）要平滑。參照民航發動機運輸要求建立相關要求。（3）完善工藝，減少有主軸承的部件或單元體裝配翻轉次數。（4）與客戶溝通，將發動機周轉、運輸和使用吊車相應要求貫徹到外場，并監控執行。相信這些措施能有效地減少由于軸承保護不善引起的廠內外航空發動機軸承故障及相應的振動故障，降低發動機返廠率，提高試車合格率。