中介軸承內(nèi)外圈同向和反向旋轉(zhuǎn)振動(dòng)分析

喬保棟，張東明，于明月

（1.沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110015）

中介軸承在雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用非常普遍，是連接高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子之間的關(guān)鍵支承部件。中介軸承通常是圓柱滾子軸承，發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子抱死，發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車等嚴(yán)重事故。因此，對(duì)中介軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷十分重要[1-6]。

滾動(dòng)軸承故障信號(hào)具有信號(hào)微弱、調(diào)制性強(qiáng)、頻帶范圍寬等特征，常常會(huì)出現(xiàn)誤診及漏診現(xiàn)象。目前小波分析已被廣泛應(yīng)用于常規(guī)支承形式（即外圈靜止，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)）的滾動(dòng)軸承故障診斷中[7-8]，并取得了比較理想的效果；而對(duì)于內(nèi)、外圈同時(shí)旋轉(zhuǎn)的中介軸承的故障診斷應(yīng)用較少。基于此，結(jié)合中介軸承的故障特征公式，考慮內(nèi)、外圈同向和反向旋轉(zhuǎn)2種工況，利用小波分析對(duì)真實(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的中介軸承故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 中介軸承故障特征公式

假設(shè)ni，ne分別為中介軸承內(nèi)、外圈的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速方向相同則ni與ne同號(hào)，轉(zhuǎn)速方向相反則ni與ne反號(hào)。Dw為滾動(dòng)體直徑，Dpw為滾子組節(jié)圓直徑，R為外滾道半徑，r為內(nèi)滾道半徑，Z為滾動(dòng)體數(shù)，α為接觸角。依據(jù)文獻(xiàn)[1-2]推導(dǎo)得中介軸承各故障特征公式如下。

2 中介軸承故障分析

某型雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，中介軸承實(shí)現(xiàn)了高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子的連接，其具體參數(shù)及特征頻率見表1。為監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，在后機(jī)匣的水平和垂直方向各安裝1個(gè)振動(dòng)加速度傳感器。

圖1 某型雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Rotor supporting dynamic model of a certain type of dual-rotor areo-engine

表1 中介軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters for intershaft bearing

2.1 保持架故障-高、低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同

選用上述雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ne＝19 890 r／min，對(duì)應(yīng)的基頻 fNe＝331.5 Hz；低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ni＝5 700 r／min，對(duì)應(yīng)的基頻 fNi＝95 Hz，計(jì)算得中介軸承各故障特征頻率見表2。試車過程中，滑油光譜超標(biāo)，同時(shí)后機(jī)匣水平及垂直方向的高壓振動(dòng)監(jiān)測(cè)值隨轉(zhuǎn)速增大而增大，與以往試車振動(dòng)變化不一致。

表2 中介軸承的特征頻率Tab.2 Characteristic frequency of intershaft bearing

后機(jī)匣水平方向原始振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)頻圖如圖2所示。在圖2b的頻譜圖上可見高壓轉(zhuǎn)子基頻（331.5 Hz）及其 2倍頻（663 Hz），還可見到低壓轉(zhuǎn)子的基頻（95 Hz），未見中介軸承故障特征頻率。

圖2 水平方向振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)頻圖Fig.2 Time-frequency diagram of vibration acceleration signal in horizontal direction

應(yīng)用小波變換對(duì)該加速度信號(hào)進(jìn)行分解，小波分解與重構(gòu)采用Mallat算法，選用小波函數(shù)db2進(jìn)行3層分解，得到各分解層中重構(gòu)的細(xì)節(jié)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水平方向小波重構(gòu)信號(hào)的時(shí)頻圖Fig.3 Time-frequency diagram of wavelet reconstructed signal in horizontal direction

從圖3a可以清楚看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（95 Hz），高壓轉(zhuǎn)子基頻（331.5 Hz）及其 2倍頻（663 Hz），高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子的差頻（236.5 Hz），未知頻率（106.5 Hz）；從圖3b可以清楚的看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（95 Hz），高壓轉(zhuǎn)子基頻（331.5 Hz），未知頻率（106.5 Hz）以及未知頻率與高壓轉(zhuǎn)子的組合頻率（438 Hz）；從圖3c可以清楚的看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（95 Hz），未知頻率（106.5 Hz和53 Hz）。

對(duì)比表2可知：后機(jī)匣水平方向振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)過小波分析后，各層重構(gòu)信號(hào)的頻譜上的未知頻率106.5 Hz與fem理論計(jì)算值108 Hz接近，出現(xiàn)1.5 Hz誤差的原因是軸承幾何尺寸量取時(shí)存在誤差且軸承發(fā)生磨損時(shí)幾何尺寸會(huì)有細(xì)微變化，基本可以判定中介軸承出現(xiàn)了故障。對(duì)中介軸承進(jìn)行分解檢查，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出：中介軸承的保持架、滾動(dòng)體和外滾道均有磨損痕跡，振動(dòng)信號(hào)上主要表現(xiàn)為單個(gè)滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率。

圖4 中介軸承磨損示意圖Fig.4 Wear diagram of intershaft bearing

2.2 滾動(dòng)體磨損-高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反

同樣采用上述雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ni＝12 420 r／min（fNi＝207 Hz），高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ne＝19 710 r／min（fNe＝328.5 Hz），計(jì)算得中介軸承各故障特征頻率見表3。

表3 中介軸承的特征頻率Tab.3 Characteristic frequency of intershaft bearing

試車過程中，中介軸承潤滑不良，軸承發(fā)生磨損，中介軸承內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速方向相反，滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率較高，滾動(dòng)體磨損嚴(yán)重，造成中介軸承徑向工作游隙偏大，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)較大。對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后機(jī)匣垂直方向加速度信號(hào)進(jìn)行分析。

后機(jī)匣垂直方向原始振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻圖如圖5所示。從圖中可以看出：振動(dòng)信號(hào)上主要表現(xiàn)為低壓轉(zhuǎn)子基頻（207 Hz），高壓轉(zhuǎn)子基頻（328.5 Hz），高、低壓轉(zhuǎn)子差頻（121.5 Hz）。采用小波變換對(duì)該加速度信號(hào)進(jìn)行分析，得到3層細(xì)節(jié)信號(hào)的重構(gòu)信號(hào)，對(duì)各層重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如6所示。

圖5 垂直方向振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of vibration acceleration signal in vertical direction

圖6 垂直方向小波重構(gòu)信號(hào)的時(shí)頻圖Fig.6 Time-frequency diagram of wavelet reconstructied signal in vertical direction

從圖6a可以清楚看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（207 Hz）及其 2倍頻（414 Hz），高壓轉(zhuǎn)子基頻（328.5 Hz），保持架旋轉(zhuǎn)頻率的4倍頻（336 Hz）和5倍頻（420 Hz），以及低壓轉(zhuǎn)子基頻與保持架旋轉(zhuǎn)頻率的組合頻率543 Hz（fNi＋4f02）；從圖6b可以清楚的看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（207 Hz）及其2倍頻（414 Hz），高壓轉(zhuǎn)子基頻（328.5 Hz），保持架旋轉(zhuǎn)頻率的2倍頻（168 Hz）、4倍頻（336 Hz）和5倍頻（420 Hz），以及低壓轉(zhuǎn)子基頻與保持架旋轉(zhuǎn)頻率的組合頻率543 Hz（fNi＋4f02）和582 Hz（2fNi＋2f02）；從圖6c可以清楚的看到低壓轉(zhuǎn)子基頻（207 Hz），高、低壓轉(zhuǎn)子差頻121.5 Hz（fNe-fNi），以及保持架旋轉(zhuǎn)頻率的2倍頻（168 Hz）。

對(duì)比表3可知：后機(jī)匣垂直方向振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)過小波分析后，各層重構(gòu)細(xì)節(jié)信號(hào)頻譜上的未知頻率168 Hz，336 Hz和420 Hz與f02理論計(jì)算值83.5 Hz的2倍頻、4倍頻和5倍頻接近，出現(xiàn)1～2.5 Hz誤差的原因是軸承幾何尺寸量取時(shí)存在誤差且軸承發(fā)生磨損時(shí)幾何尺寸會(huì)有細(xì)微變化，基本可以判定中介軸承出現(xiàn)了故障。對(duì)中介軸承進(jìn)行分解檢查，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出：中介軸承的滾動(dòng)體磨損嚴(yán)重，軸承徑向游隙變大，振動(dòng)信號(hào)上主要表現(xiàn)滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率（保持架旋轉(zhuǎn)頻率）。

圖7 滾動(dòng)體磨損示意圖Fig.7 Wear diagram of rolling element

3 結(jié)束語

運(yùn)用小波分析技術(shù)，結(jié)合實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)、外圈同向及反向旋轉(zhuǎn)的中介軸承進(jìn)行故障特征提取研究，通過拆解軸承驗(yàn)證了方法的有效性，并總結(jié)出以下規(guī)律：

1）中介軸承內(nèi)、外圈轉(zhuǎn)速方向相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)頻率較高。保持架、滾動(dòng)體和外圈滾道發(fā)生磨損時(shí)，振動(dòng)信號(hào)上主要表現(xiàn)單個(gè)滾動(dòng)體在外圈滾道通過頻率。

2）中介軸承內(nèi)、外圈轉(zhuǎn)速方向相反時(shí)，滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)特征頻率較高，滾動(dòng)體較易發(fā)生磨損，軸承徑向工作游隙變大，振動(dòng)信號(hào)中表現(xiàn)出高、低壓轉(zhuǎn)子的基頻，保持架旋轉(zhuǎn)頻率的倍頻以及低壓轉(zhuǎn)子基頻與保持架旋轉(zhuǎn)頻率的組合頻率等。