某航空發動機主軸承故障振動分析

任帥 陳大力 李勝斌

摘 要：基于某型渦軸發動機的實測振動特征，對該型發動機試驗中出現的振動異常進行研究。研究結果表明，異常振動是由保持架碰磨外圈引起，分解檢查發現主軸承保持架斷裂故障，驗證了分析的準確性。

關鍵詞：渦軸發動機;軸承故障;振動分析

主軸承是航空發動機的關鍵部件，其故障可能導致旋轉葉片碰磨折斷或轉子卡滯，影響飛行安全。受安裝空間的限制，中小型航空發動機振動測點一般位于外機匣，使得通過振動數據發現主軸承故障尤為困難[1]。

某型渦軸發動機屬中小型航空發動機，在試車臺進行到總壽命試驗再次起動到地面慢車狀態，發動機振動明顯增大并超過限制值、金屬性報警信號燈亮，發動機立即停車。本文通過對實測振動信號的分析，研究了該發動機振動大以及金屬屑報警的原因。研究結果表明，綜合運用振動分析方法，能夠比較快速準確定位故障，為該型渦軸發動機排故技術支持。

1概述

該型渦軸發動機為雙轉子發動機，分別為動力渦輪轉子（簡稱Np）和燃氣發生器轉子（簡稱Ng）。根據型號研制經驗，設置3個機匣振動測點，測點位置及代號如下：

T45——渦輪機匣徑向45°;

T315——渦輪機匣徑向315°;

Fz——附件機匣垂直。

3個測點都使用高溫壓電加速度計，該加速度計具有耐高溫、頻響寬、體積小、抗干擾性強等優點，能適應機匣惡劣的工作環境。測得的加速度信號同時經過軟件和硬件分別進行積分和帶通濾波，并行監測發動機振動總量。

2振動數據分析

2.1早期振動特征

該渦軸發動機進行總壽命試驗早期，最大連續狀態的振動頻譜見圖1，由圖1可得：Np和Ng旋轉頻率分別為347.9Hz和722.7Hz，轉子旋轉頻率及倍頻譜線清晰，無異常振動成分出現，穩態振動總量最大為7.0mm/s。

2.2中后期振動特征

在完成85%總壽命試驗以后，該渦軸發動機穩態振動突然增大，穩態振動頻譜見圖2。由圖2可得：Np和Ng旋轉頻率分別為347.9Hz和725.1Hz，轉子旋轉頻率及倍頻譜線清晰，無異常振動出現（178Hz為發電機旋轉頻率），穩態振動總量達21.5mm/s，相對圖1各測點振動總量增幅都超過200%，振動增大由Ng旋轉頻率增大引起。

2.3后期振動特征

該渦軸發動機后期慢車狀態振動瀑布圖見圖3，最后1次試驗振動頻譜見圖4。

由圖3可得：Np和Ng旋轉頻率分別為261.2Hz和651.9Hz，在255～276Hz以及376～398Hz各出現異常振動峰值，此2頻率數值不穩定、數值之和嚴格等于Ng旋轉頻率。故認為此振動由Ng轉子引起，而255～276Hz與Ng旋轉頻率之比為0.390～0.423，接近軸承保持架故障特征頻率的經驗值0.4，Ng轉子采用1-1-0的支承方式，懷疑該異常振動由Ng后軸承保持架故障引起。

查發動機設計手冊，Ng后軸承為內圈旋轉外圈固定的圓柱滾子軸承，主要參數為：節圓直徑62.7mm、滾動體直徑7mm、滾動體數為18、保持架為外圈引導，可得保持架碰磨軸承外圈故障特征頻率[2]為：

基本確定此異常振動Ng后主軸承保持架撞擊外圈引導面引起。

由圖4可得：Np和Ng旋轉頻率分別為347.9Hz和705.6Hz，Fz穩態振動總量達65mm/s超過該發動機的振動限制，振動超限由Ng轉子基頻引起;各測點1409Hz振動幅值都超過10mm/s明顯超過圖1和圖2，說明Ng轉子不對中，結合此時發動機金屬屑報警，確定Ng主軸承存在保持架故障。

2.4 機理分析

滾動軸承的故障特征計算公式建立在滾子和軸承內環線速度相等的基礎上，由于滾子或滾道加工誤差等原因，實際工況下內圈和滾子線速度不可能嚴格相等。下面以振動瀑布圖時序分析圖4的振動機理：

在t=0.4秒時刻，保持架與外圈引導面發生碰撞出現275.9Hz振動峰值;碰撞逐漸加劇實際的保持架碰撞外圈引導面的頻率數值逐漸下降，到t=15.6秒時刻降至268.6Hz;隨碰撞的進一步加劇，在t=53.7秒時刻該頻率降至最低的255.1Hz，碰撞在接近60秒時刻突然消失，此時燃氣發生器后主軸承達到新的穩定工作狀態。

3分解檢查

由于發動機振動超限并且金屬屑報警，該渦軸發動機立刻下臺分解，分解檢查發現燃氣發生器后主軸承保持架外圈引導面磨損嚴重、保持架出現1處掉塊和多處貫穿性縱向裂紋，斷裂處的形貌見圖5，分解檢查結果驗證了振動分析的正確性。

4.結論

由于中小型航空發動機工作轉速高，軸承工作環境非常惡劣，通過機匣振動來監測軸承的工作狀態存在很大困難。本文通過分析某渦軸發動機不同階段的振動特征，發現燃氣發生器后主軸承與保持架碰撞外圈故障特征頻率相對應的振動峰值、轉子不對中，最終引起振動超限和金屬屑報警，據此判斷后主軸承保持架碰磨，分解檢查結果驗證了分析的準確性。

參考文獻：

[1] 秦海勤，徐可君，劉忠華，王永旗. 某型航空發動機臺架試車異常振動故障診斷[J]. 噪聲與診斷控制，2010，4：81-84.

[2] 鄧曉亮，任帥. 某多級軸流壓氣機故障振動分析[J].電子世界，2018，17：83-84.