轉(zhuǎn)軸與密封碰摩故障及振動響應(yīng)特征分析

萬 召，馬會防，曹 沖，王衛(wèi)國

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海200241）

碰摩是一個復雜的非線性多場耦合問題，主要涉及到摩擦熱、力沖擊、耦合振動、剛度增強等[1]，一方面碰摩會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向力和摩擦扭矩激勵，還會形成附加支承，通常會加劇轉(zhuǎn)-靜子系統(tǒng)振動；另一方面，摩擦生熱會使碰摩位置會產(chǎn)生高溫，散熱不暢時會導致轉(zhuǎn)、靜子熱彎曲等膨脹變形及材料特性變化，嚴重時會導致轉(zhuǎn)靜子抱死、零件燒蝕或失火（如鈦火）。而由于碰摩工況的多樣性，碰摩振動響應(yīng)特征也大相徑庭，使得基于振動響應(yīng)的碰摩故障診斷也十分困難。

馬輝等[2]綜述了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障實驗研究的進展，并總結(jié)了各種碰摩故障的振動響應(yīng)特征，指出當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于其1 階臨界轉(zhuǎn)速時，碰摩響應(yīng)呈現(xiàn)2X、3X等倍頻特征；而高于1 階臨界轉(zhuǎn)速時，碰摩響應(yīng)以X/2、X/3等分頻為主，同時也說明各種碰摩工況表現(xiàn)出的振動特征既有倍頻又有分頻特征；此外還總結(jié)了單點、局部及整周碰摩所用實驗裝置及實驗現(xiàn)象，對比了簡單、復雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)局部碰摩，旋轉(zhuǎn)葉片-機匣局部碰摩，這幾種典型故障的特征，但沒有論述到碰摩熱效應(yīng)相關(guān)試驗研究，介紹了Hall[3]等通過設(shè)計弧形密封件來模擬轉(zhuǎn)子與密封之間的碰摩，崔淼等[4]也從不同角度做過類似的試驗研究。

丁千等[5]從理論、實驗研究和現(xiàn)場故障分析、排除等方面對汽輪發(fā)電機組摩擦振動相關(guān)研究結(jié)果和現(xiàn)狀作了簡要總結(jié)，文中指出摩擦熱沖擊（摩擦熱彈性彎曲）有時比碰摩力沖擊的危害更大；黃葆華等[1]基于熱彎矩效應(yīng)導出了熱彎曲摩擦單元與軸單元的傳遞矩陣，研究了熱彎曲會引起轉(zhuǎn)子不平衡量變化以及轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的問題。姚紅良等[6]結(jié)合轉(zhuǎn)子動力學理論和熱傳導理論，建立摩擦熱彎曲轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元結(jié)構(gòu)-三維熱場耦合模型，基于該模型分析了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性。田永偉等[7]建立了摩擦轉(zhuǎn)子動力學方程與熱沖擊溫度耦合的時變方程，包括振動特性對摩擦熱量的影響，并分析某實際發(fā)電機轉(zhuǎn)子摩擦情況下的振動特性。總之，目前對于碰摩的理論和試驗研究主要還是圍繞碰摩所產(chǎn)生的激振載荷的理論建模、試驗?zāi)M及故障特征分析；而對碰摩的熱效應(yīng)、熱致碰摩、熱機耦合的研究還不夠充分，對于碰摩中沖擊力和熱效應(yīng)耦合的理論研究尚不完全滿足實際工程應(yīng)用的需要。

本文報道了某試驗器的驅(qū)動軸與篦齒密封件之間的碰摩故障，碰摩的熱效應(yīng)導致密封膠圈燒蝕、摩擦瞬時高溫導致銅質(zhì)密封材料軟化、受轉(zhuǎn)軸擠壓流動，轉(zhuǎn)靜子抱死等嚴重問題，通過對轉(zhuǎn)子-蓖齒密封的結(jié)構(gòu)分析和分解檢查，判明了碰摩位置，確定了篦齒密封結(jié)構(gòu)及安裝方式不合理是引起碰摩的主要原因。重點對碰摩時軸承座的加速度響應(yīng)信號作了詳細的分析研究，提取了碰摩時振動響應(yīng)的若干重要特征，相關(guān)的分析方法和特征可為工程中判定碰摩故障提供支撐。

1 轉(zhuǎn)子-密封結(jié)構(gòu)與碰摩問題

1.1 轉(zhuǎn)子-篦齒密封結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，為某臥式旋轉(zhuǎn)試驗器的驅(qū)動軸-密封與支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從左至右分別為：①艙內(nèi)軸承座；②驅(qū)動軸；③真空艙壁；④轉(zhuǎn)接波紋管；⑤密封基座；⑥艙外軸承座。由于驅(qū)動軸②需要穿過真空艙壁③，其在結(jié)構(gòu)上較長，為保證其剛性，在艙內(nèi)、外各設(shè)有一個軸承座（①、⑥），并采用高速球軸承面對面安裝來支承驅(qū)動軸。驅(qū)動軸右側(cè)與高速齒輪箱的輸出軸相連，將驅(qū)動扭矩傳遞到左側(cè)的真空艙內(nèi)。

位于驅(qū)動軸左側(cè)的真空艙用于放置轉(zhuǎn)子試驗件，通過真空泵組可將真空艙壓力抽至800 Pa以下，以降低試驗件的氣動風阻，因此試驗器具有開展帶葉片轉(zhuǎn)子實驗的能力。由于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸②穿過真空艙壁③，需要在真空艙壁上開孔，為保證真空艙的真空度，需要設(shè)置動靜密封，以降低開孔處的空氣泄露，為獲得好的密封效果，設(shè)計的半徑密封間隙為0.1 mm。

另外，由于抽真空后，真空艙體會受到很大的大氣壓力，長期使用時真空艙體會發(fā)生微小的變形，如果將密封結(jié)構(gòu)安裝在艙壁上，艙壁變形會引起密封間隙的變化，嚴重時艙體變形量會大于密封間隙值，可能導致驅(qū)動軸與密封的碰摩。因此動靜密封的設(shè)置，必須考慮到艙體變形的影響。

圖1 驅(qū)動軸系結(jié)構(gòu)

為了克服艙體變形對動靜密封的影響，通過設(shè)計一個柔性轉(zhuǎn)接波紋管結(jié)構(gòu)④，將動靜密封從可能變形的真空艙壁③轉(zhuǎn)移到獨立的剛性密封基座⑤上，篦齒密封銅套安裝于密封基座內(nèi)，而密封基座則安裝于剛性基礎(chǔ)平臺上，其變形可以忽略，即真空箱體相對驅(qū)動軸的變形由柔性波紋管來協(xié)調(diào)，篦齒密封與驅(qū)動軸間的間隙不受箱體變形的影響。如圖1所示，轉(zhuǎn)接波紋管④的中間為柔性波紋管結(jié)構(gòu)，可以允許有較大的變形，左右兩側(cè)分別為法蘭，左端與真空艙壁連接③，右端與密封基座⑤連接。

篦齒密封銅套與密封基座之間的安裝關(guān)系如圖1中的局部放大圖所示，其中(a)為密封銅套，(b)、(d)為密封膠圈，(c)為防轉(zhuǎn)銷釘，具體的：銅套與密封基座的徑向定位依靠銅套外圓與密封基座的孔軸過渡配合；銅套的軸向定位和角向防轉(zhuǎn)，是通過在銅套與密封基座之間配做兩個角向?qū)ΨQ的軸向螺紋孔，并通過防轉(zhuǎn)銷釘(c)來防止銅套的軸向和角向竄動。在銅套與密封基座之間設(shè)置有密封膠圈，以減少銅套與密封基座之間間隙所引起的泄露；篦齒密封選用軟質(zhì)的黃銅材質(zhì)，在發(fā)生碰摩時可以保護驅(qū)動軸。

1.2 碰摩現(xiàn)象分析

試驗器在交付使用之前，需要驗證試驗器各項性能指標是否達到設(shè)計要求，對于驅(qū)動系統(tǒng)來說，需要對轉(zhuǎn)速（包括最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性），以及驅(qū)動軸系的振動品質(zhì)進行調(diào)試驗證。為驗證試驗器驅(qū)動軸的輸出轉(zhuǎn)速能否達到設(shè)計要求的最高轉(zhuǎn)速20 000 r/min，同時驗證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性以及驅(qū)動軸系的振動品質(zhì)，對驅(qū)動系統(tǒng)從低到高按照一定階梯逐步開展轉(zhuǎn)速調(diào)試。在某次空載轉(zhuǎn)速調(diào)試過程中，當驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速逐步上升至約10 500 r/min時，在驅(qū)動軸穿過的真空艙壁的內(nèi)、外兩側(cè)均有白煙冒出，且伴隨著較濃烈的橡膠燃燒的味道，發(fā)現(xiàn)該情況后，迅速將驅(qū)動轉(zhuǎn)速調(diào)至0。停車后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：

1)密封軸承座外表溫度較高；

2)密封軸承座右端面有明顯燒蝕痕跡；

3)驅(qū)動軸卡滯、無法盤車。

經(jīng)現(xiàn)場勘驗，初步確定故障位置在驅(qū)動軸與動靜密封處，故障原因初步判斷為驅(qū)動軸與密封銅套的碰摩。如圖2所示，為密封基座位置的現(xiàn)場照片，為便于對應(yīng)，圖2中各部件編號與圖1驅(qū)動軸系結(jié)構(gòu)中編號保持一致。從圖中可以看到，密封基座②右側(cè)端面（靠近艙外軸承座①一側(cè)）有明顯燒蝕的痕跡。

圖2 密封軸承座及驅(qū)動軸現(xiàn)場圖

如圖3所示，進一步對驅(qū)動軸與密封銅套碰摩的情況進行檢查，由于銅套與驅(qū)動軸卡死，無法將其從軸上分解下來，需用切割機將銅套切開口，方可將銅套分解下來。

圖3 軸與銅套的碰摩與卡滯

觀察驅(qū)動軸可以發(fā)現(xiàn)，其上有2 段亮銅色的碰摩帶：其中一段是片狀、連續(xù)的光亮區(qū)，對應(yīng)銅套右端的實心段；另外一段呈現(xiàn)亮銅色與黑色相間的帶狀碰摩區(qū)域，與銅套中間蓖齒段相對應(yīng)。其中片狀區(qū)域即銅套右側(cè)實心段碰摩最為嚴重，且摩擦高溫導致銅軟化，部分銅材被軸擠出到銅套的右端面；帶狀區(qū)域即銅套蓖齒區(qū)碰摩程度次之；銅套左端實心段碰摩情況較輕。

綜合分析驅(qū)動-密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和碰摩分解檢查結(jié)果可知：碰摩主要發(fā)生在銅套右端實心段區(qū)域，主要原因是，碰摩產(chǎn)生的高溫使得銅套發(fā)熱膨脹，但是其外環(huán)被鋼質(zhì)密封基座限制、無法向外充分膨脹，從而變?yōu)橄騼?nèi)熱膨脹、擠壓，使得內(nèi)孔進一步減小、碰摩加劇，最終導致銅套內(nèi)孔與軸抱死。

2 碰摩振動響應(yīng)特征分析

2.1 基于時域信號的碰摩過程分析

對于碰摩這類轉(zhuǎn)-靜子強耦合故障來說，加速度響應(yīng)能夠反映出更豐富的信息，驅(qū)動軸系的加速度傳感器布置在靠近密封基座的艙外軸承座的水平方向，如圖2中所示。

圖4給出了艙外軸承座的水平加速度響應(yīng)的時程、有效值(均方根-Root Mean Square)、轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。由時程曲線及有效值曲線可知：加速度最大單峰值超過3.3 g，有效值則超過1.75 g；振動加速度約在595秒、630秒這兩個時間點先后出現(xiàn)峰值，對應(yīng)的加速度峰值約為3.51 g、3.57 g，加速度有效值分別為1.43 g、1.78 g，對應(yīng)的速度分別為10 680 r/min、10 560 r/min；在兩個峰值點之間，振動加速度先迅速下降，單峰值最低降至約0.6 g，而后又快速上升達到第二個振動峰值。

圖4 軸承座振動加速度、轉(zhuǎn)速圖隨時間變化圖

進一步結(jié)合轉(zhuǎn)速曲線分析，在達到最大轉(zhuǎn)速10 680 r/min之前，轉(zhuǎn)速在9 900 r/min處保持了一段時間，此時的振動加速度相對穩(wěn)定，單峰值不超過1 g、有效值不超過0.5 g，現(xiàn)場也未出現(xiàn)其它異常現(xiàn)象，可以推斷此時系統(tǒng)沒有發(fā)生碰摩；在轉(zhuǎn)速由9 900 r/min 逐步上升到最高轉(zhuǎn)速10 680 r/min 過程中，振動加速度迅速增大并達到第一個振動峰值，轉(zhuǎn)軸與密封首次發(fā)生碰摩；而后轉(zhuǎn)速保持在10 680 r/min，振動加速度先迅速下降，其最小值小于9 900 r/min時的振幅，之后又快速上升，并達到第二個振動峰值，發(fā)生二次碰摩；此后轉(zhuǎn)速迅速下降，但轉(zhuǎn)速在8 000 r/min之前，振動仍然維持在較高水平，單峰值大于2.5 g。結(jié)合現(xiàn)場的實際情況：在轉(zhuǎn)速達到最高10 680 r/min 并保持過程中，發(fā)現(xiàn)有煙冒出，并伴有刺鼻的橡膠燃燒的味道，在此之后才迅速控制電機轉(zhuǎn)速下降。由此可知，在上述2 個振動加速度峰值點處，轉(zhuǎn)軸與密封銅套均發(fā)生碰摩。

基于以上分析，可以推知：轉(zhuǎn)軸與篦齒密封前后發(fā)生2 次碰摩。首次碰摩發(fā)生在轉(zhuǎn)速由9 900 r/min上升至最高轉(zhuǎn)速10 680 r/min之間，其形式應(yīng)為非連續(xù)的局部碰摩或偏磨，碰摩時銅質(zhì)密封在轉(zhuǎn)軸的擠壓作用下內(nèi)孔變大，使得轉(zhuǎn)軸與密封脫離接觸，碰摩短暫消失，由于首次碰摩持續(xù)時間較短，碰摩產(chǎn)生的局部高溫來不及傳導至整個密封結(jié)構(gòu)，密封銅套來不及膨脹；之后轉(zhuǎn)速保持在10 680 r/min，在此過程中首次碰摩所產(chǎn)生的局部高溫逐步傳導使得銅套、轉(zhuǎn)軸劇烈升溫，銅套受熱膨脹，但由于其外環(huán)被密封基座限制，無法向外自由膨脹，銅套的熱變形轉(zhuǎn)為向內(nèi)膨脹、擠壓，使得密封銅套內(nèi)孔減小，同時轉(zhuǎn)軸局部溫升會使軸產(chǎn)生熱彎曲，使得轉(zhuǎn)軸與密封銅套之間間隙進一步減小，直至再次接觸，產(chǎn)生二次碰摩；二次碰摩的熱效應(yīng)更加顯著，碰摩形式發(fā)展為連續(xù)碰摩或是全周碰摩，熱效應(yīng)使得密封膠圈燒蝕，銅套膨脹與轉(zhuǎn)軸熱彎曲又使得碰摩加劇，振動進一步惡化，而銅套碰摩位置局部高溫軟化導致部分銅材被擠出到端面，最終使得銅套與轉(zhuǎn)軸抱死。

2.2 碰摩響應(yīng)的頻域特征分析

進一步分析碰摩響應(yīng)的頻率特征，如圖5所示，為振動加速度響應(yīng)的幅值譜的瀑布圖，采樣頻率為2 048 Hz，取2 048個點分析。

圖5 振動加速度的頻譜瀑布圖

由圖5可知，振動能量主要集中在1X、2X倍頻，此外還有3X、4X倍頻等高倍頻成份，在部分區(qū)域還有X/3、2X/3、4X/3、5X/3等分頻成份。

觀察圖5可知，在發(fā)生碰摩時，振動加速度的1X、2X倍頻的幅值占主導，圖6進一步提取了1X、2X倍頻幅值及RMS 通頻振幅隨轉(zhuǎn)速、時間的變化曲線。

圖6 1X、2X倍頻幅值隨轉(zhuǎn)速的變化圖

從圖6中可知，在轉(zhuǎn)速小于8 000 r/min 時，1X、2X倍頻幅值均較小，系統(tǒng)振動以大于2X倍頻的高頻成份占主導，但振動有效值不超過0.6 g；在轉(zhuǎn)速大于8 000 r/min時，1X倍頻振幅與RMS幅值（有效值）相當，并逐漸開始占主導；當發(fā)生碰摩時1X、2X倍頻振幅均迅速增大，但1X倍頻要大于2X倍頻，1X倍頻峰值約為1.87 g，2X倍頻峰值約為0.88 g。由此可知碰摩會導致1X、2X倍頻振動增大。

在觀察頻譜瀑布圖時，還發(fā)現(xiàn)在550秒以后，部分頻譜譜線中存在小幅值、寬頻帶的“毛刺”現(xiàn)象，明顯有別于其它時段的頻譜譜線，且出現(xiàn)該特征譜線的時段與發(fā)生兩次碰摩的時段相對應(yīng)，為了突出該特征，提取550 秒～680 秒之間的頻譜；另外為消除1X、2X倍頻振幅相對較大造成上述特征不明顯，在頻域里以1X、2X倍轉(zhuǎn)頻為中心頻率，作半帶寬為5 Hz的帶阻濾波，得到的幅值譜如圖7所示，圖中還標識出了首次碰摩及二次碰摩發(fā)生的區(qū)域。

圖7 碰摩區(qū)域的頻譜瀑布圖

為了進一步明確碰摩的影響，圖8對比給出了升速、降速過程中，相同轉(zhuǎn)速下（9 900 r/min）無碰摩與有碰摩時振動響應(yīng)的頻譜。

圖8 同轉(zhuǎn)速下碰摩-不碰摩響應(yīng)頻譜對比

觀察圖7、圖8中各條譜線的特征，可以總結(jié)如下：

(1)碰摩區(qū)域頻譜的譜線特征明顯有別于非碰摩區(qū)域的譜線，這種差別可基于加速度響應(yīng)的頻譜瀑布圖來辨識；

(2)發(fā)生碰摩時，加速度響應(yīng)的頻譜在較寬的頻帶范圍內(nèi)均具有振動能量，在譜線上特征表現(xiàn)為小振幅、寬頻帶，類似“毛刺”的現(xiàn)象，可解釋為碰摩的沖擊激勵的寬頻特性使得結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)也具有較寬的頻帶；

(3)發(fā)生碰摩時，在1X轉(zhuǎn)頻以下，譜線的小振幅、寬頻帶特征更為顯著，且振動能量在零頻、X/3、2X/3 等特征頻率附近更為聚集。需要注意的是，在相同的加速度響應(yīng)幅值下，相對于高頻，低頻的響應(yīng)蘊含更多的能量，即碰摩能量更多的在低頻范圍內(nèi)；

(4)發(fā)生碰摩時，1X轉(zhuǎn)頻的振幅(9 900 r/min-1.43 g)顯著增大，約為不碰摩時振幅(9 900 r/min-0.31 g)的4 倍，表明碰摩會導致1X倍頻振幅顯著增大，其原因一方面是碰摩引起的熱彎曲導致的不平衡效應(yīng)，另一方面是碰摩的寬頻帶中包含1X倍頻激勵；

(5)發(fā)生碰摩時，振動加速度響應(yīng)的2X、3X倍頻振幅也會有較明顯增大，對比1X倍頻的幅值變化可知，從幅值的上升幅度上看，1X倍頻幅值增量＞2X倍頻幅值增量＞3X倍頻幅值增量，即頻率越高，碰摩引起的幅值上升幅度越小，這是因為碰摩的沖擊能量隨著頻率增加而逐漸衰減。在1X倍頻以上，如1X～4X/3及2X～3X倍頻之間的高頻譜線也存在上述“毛刺”現(xiàn)象，考慮到加速度響應(yīng)對高頻振動具有“放大”效應(yīng)，即總體而言，碰摩能量主要分布在低頻范圍；

(6)碰摩的沖擊效應(yīng)，可能會誘發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共振。

需要特別說明的是，某型壓氣機在試驗時出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子葉片與易磨層、蜂窩密封刮磨的現(xiàn)象，按照上述方法對其振動加速度響應(yīng)進行分析，也發(fā)現(xiàn)了類似的特征。因此，上述特征及信號處理方法，可以作為工程中判斷系統(tǒng)是否發(fā)生碰摩的依據(jù)之一，特別是對硬質(zhì)轉(zhuǎn)子與較軟質(zhì)靜子的刮磨。

3 結(jié) 語

本文針對工程中實際發(fā)生的轉(zhuǎn)-靜子碰摩問題，根據(jù)碰摩部件的結(jié)構(gòu)特征以及碰摩產(chǎn)生的后果，分析碰摩產(chǎn)生過程和原因；重點分析了碰摩的振動加速度信號，提取了碰摩響應(yīng)在頻域中表現(xiàn)出的關(guān)鍵特征，相關(guān)分析方法和故障特征，可以為工程中碰摩故障的判定提供支撐。通過分析，總結(jié)如下：

(1)碰摩的沖擊效應(yīng)，會使得振動的加速度頻率響應(yīng)呈現(xiàn)寬頻帶、小振幅的特征，在頻譜譜線上會出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，該特征特別適用于轉(zhuǎn)子對相對較軟的靜子件（如篦齒、蜂窩密封、易磨層等）的碰摩；此外碰摩的沖擊效應(yīng)還會激發(fā)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)特征頻率的共振。工程中，可以選取適當?shù)恼駝蛹铀俣葴y點，通過振動響應(yīng)頻譜的瀑布圖，并做適當放大，對比觀察有、無碰摩時的頻率響應(yīng)特征來判別；

(2)碰摩會使得振動響應(yīng)中1X、2X倍頻的振幅顯著上升，熱效應(yīng)會導致轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，振動響應(yīng)以1X倍頻占主導，1X倍頻附近的頻帶內(nèi)的振動能量增大，嚴重碰摩時還會在零頻(0 Hz)及附近出現(xiàn)一定的振動能量；

(3)動靜密封的設(shè)計，應(yīng)特別考慮碰摩發(fā)熱所產(chǎn)生的后果，要避免碰摩熱量的積累，并考慮碰摩熱膨脹、熱變形的影響，以及可能帶來的次生故障，并重點關(guān)注相配合結(jié)構(gòu)之間的熱變形協(xié)調(diào)。