基于故障樹分析法的壓氣機振動故障分析

楊 帆，張 倩，趙 鑫

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

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

本文基于Isograph的Reliability Workbench軟件，依據(jù)故障樹分析法（Fault Tree Analysis），繪制出振動故障樹，對該振動故障從現(xiàn)象到原因、特征以及排振方法逐步分析[6]，總結出1套壓氣機試驗件振動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60年代，是1種安全可靠的分析技術，也是目前故障診斷中應用較多的方法之一。故障樹分析法廣泛應用于工程機械行業(yè)內(nèi)，適用于大型、復雜的系統(tǒng)，采用圖形化方式表達故障成因，易于理解。故障樹的組成元素包括事件和邏輯門[7]，常用符號見表1。

表1 故障樹常用符號

2 壓氣機振動故障

2.1 結構簡介

某型壓氣機試驗件是軸流式多級壓氣機，其葉片和輪盤為榫頭/榫槽配合，壓氣機前、后兩端各布置1個支點，整體為簡支結構，前支點選取滾珠軸承，后支點選取滾棒軸承，前支點軸承腔采用石墨封嚴結構，后支點軸承腔采用螺旋氣封結構，均為成熟結構，如圖1、2所示。各級輪盤及鼓筒均設計有甩油孔。

圖1 某型壓氣機前支點結構

圖2 某型壓氣機后支點結構

整個壓氣機部件后端通過排氣機匣與試驗臺架排氣渦殼連接，前端與進氣穩(wěn)壓艙軟連接，壓氣機轉子后軸頸與臺架傳動軸通過套齒連接，并配備軸向力調(diào)節(jié)拉桿。在試驗過程中振動監(jiān)測傳感器分別布置在壓氣機進氣機匣后安裝邊（壓氣機Ⅰ截面水平和垂直方向）和排氣機匣前安裝邊（壓氣機Ⅱ截面水平和垂直方向）上，用來監(jiān)控壓氣機前、后支點振動情況。

2.2 故障現(xiàn)象

在試驗過程中，當該型壓氣機轉速達到氣動0.95換算轉速附近時，壓氣機后支點出現(xiàn)了徑向（壓氣機Ⅱ截面垂直方向）振動異常升高現(xiàn)象，如圖3所示。從圖中可見，在6 min內(nèi)壓氣機轉速升高了460 r/min，但該截面振動值從總量3.045g升高到6.930g，且隨轉速升高還有進一步加重的趨勢，在試驗現(xiàn)場立即采取在這一狀態(tài)點反復磨合的措施，但振動情況并未顯著改善，導致試驗無法繼續(xù)進行，將壓氣機撤下臺排故。

圖3 某型壓氣機高轉速振動異常現(xiàn)象

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

圖4 某型壓氣機各截面振動值隨轉速變化曲線

2.3 故障樹分析

利用基于Isograph的Reliability Workbench軟件[8-10]對壓氣機振動異常頂事件進行了分析，結合該型壓氣機結構特點和其他型號壓氣機振動故障診斷的經(jīng)驗[3-6]，共得到23項中間事件和33項底事件，某型壓氣機振動異常故障樹如圖5所示。由于壓氣機各零組件的故障頻率數(shù)據(jù)庫現(xiàn)階段并不完善，因此需要對這33項底事件逐件進行定性分析，主要從流體激振、機械激振和測試系統(tǒng)復查等3方面進行分析，然后通過設計排查和實物排查2種手段，同時結合試驗已有氣動數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，逐級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行詳細分析，以便盡快確定振動異常的真正原因。

2.3.1 流體激振

流體激振可分為4項底事件，分別為喘振、失速、軸承腔封嚴失效、轉子盤腔積油。

喘振、失速底事件可以通過試驗臺架數(shù)據(jù)和轉子葉片葉尖光纖監(jiān)測予以排除；軸承腔封嚴失效底事件通過監(jiān)測前、后支點軸承溫度予以排除；并通過實物檢查排除了轉子盤腔積油底事件，另外該壓氣機轉子葉片和前、后支點都并未采用阻尼器，因此，此次振動異常并不是由流體激振所引起的，該項整體排除。

圖5 某型壓氣機振動異常故障樹

2.3.2 機械激振

機械激振下一級分為6項中間事件，分別是系統(tǒng)振動特性、附件和傳動系統(tǒng)激振、轉靜子碰摩、支點不同心、轉子不平衡、動剛度變化。

系統(tǒng)振動特性實際是對壓氣機轉子動力學進行復查[11-13]。依據(jù)計算結果和試驗臺架數(shù)據(jù)，振動異常發(fā)生時的轉速并不是該型壓氣機的臨界轉速，且不存在局部共振的情況，該項排除。

附件和傳動系統(tǒng)激振主要是由增速器和扭軸所引起的條件事件，試驗過程中通過臺架傳感器實時監(jiān)控增速器和扭軸振幅，監(jiān)控數(shù)據(jù)表明：在故障發(fā)生時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)，因此該項排除。

轉子和靜子碰摩、轉子不平衡、動剛度變化等3項中間事件均與壓氣機轉子相關，可以一起分析，共包含19項底事件。該型壓氣機試驗件首次整體上臺試驗，依據(jù)以往壓氣機試驗的經(jīng)驗，大部分首次上臺試驗的壓氣機振動超限均是由磨合過程中轉、靜子局部碰摩和轉子不平衡量變化所引起的，因此此次排故工作將轉、靜子碰摩和轉子不平衡列為重點排查項。首先進行設計排查，壓氣機平衡精度在設計時按照ISO 1940標準取G1級精度[12]，裝配過程也符合圖紙和文件要求，各級轉子葉尖間隙和封嚴篦齒間隙的實測值均符合圖紙要求，轉、靜子軸向間隙也在設計范圍內(nèi)，未見超差。然后進行實物排查，在目測檢查時，發(fā)現(xiàn)3片第1級轉子葉片葉尖部位存在異常磨損情況，同時發(fā)現(xiàn)該級轉子葉片所對應的機匣涂層存在偏摩現(xiàn)象。另外對比了試驗前后的轉子不平衡量，見表2。發(fā)現(xiàn)K1和K3修正截面的不平衡量變化顯著，試驗后的轉子不平衡量已不滿足設計要求。

表2 某型壓氣機試驗前后轉子不平衡量對比 g·mm

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

2.3.3 測試系統(tǒng)復查

該項比較簡單，主要對臺架上各測振傳感器進行排查，不存在問題。

2.4 原因分析

通過以上故障樹排查分析，可以確定此次振動故障的主要成因是壓氣機第1級轉子葉片中有3片葉尖與對應機匣出現(xiàn)偏摩現(xiàn)象，壓氣機轉子不平衡量發(fā)生較大變化[12-15]，這2項綜合作用引起了遠離壓氣機轉子重心的K3截面上（壓氣機后支點部位）的高轉速振動異常。

葉尖異常磨損的原因可以歸納為4點：

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

（2）對應機匣為對開式結構，機匣剛度在周向不如整環(huán)式結構的均勻，存在一定的橢圓變形，在工作過程中特別是第1次磨合試車時極易出現(xiàn)偏磨情況。

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

（4）冷態(tài)葉尖間隙的設計方法不完善，目前主要依據(jù)強度計算結果和以往經(jīng)驗綜合選取，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，例如軸承游隙和機匣跳動量等細小因素。

3 排故措施

完成故障原因分析后，采用適當?shù)呐殴蚀胧δp的葉尖部位進行拋修，重新對壓氣機轉子進行動平衡，保證平衡精度，利用轉子堆疊系統(tǒng)裝配，累積調(diào)整各配合面徑向跳動和端面跳動，并錯相位調(diào)整配合面的高低點，保證轉子前后支點的同軸度，并在裝配過程中重點測量并調(diào)整了葉尖間隙，排除了該振動故障，在后續(xù)試驗過程中再未出現(xiàn)振動異常問題。

4 結束語

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

Reliability Workbench這類可靠性設計軟件需要相關數(shù)據(jù)庫配套[14]使用，國內(nèi)在航空發(fā)動機結構可靠性方面的數(shù)據(jù)庫建設剛剛起步，尚達不到軟件中機電元器件類那樣完備的程度[14]，還做不到定量計算航空發(fā)動機的不可用度和故障概率等可靠性指標，僅能進行初步的定性分析，隨著航空發(fā)動機可靠性數(shù)據(jù)庫逐漸完善，將會實現(xiàn)更加科學、更加客觀的故障率定量計算。

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