某型發動機主軸承工作監控的探討

王行江　劉建勛　張偉

摘要：主軸承故障是某型系列發動機的多發性、危險性故障。針對主軸承所存在的問題，探討了部隊現行的主軸承狀態監控的主要措施，就進一步改進某型系列發動機的綜合監控措施提出可行性建議。

關鍵詞：航空發動機軸承狀態監控振動

中圖分類號：U464.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0089-01

某型系列發動機主軸承是指支承發動機高、低壓轉子轉動的軸承，是高、低壓轉子的主支點，共有6個。主軸承工作環境惡劣，加上發動機設計上的缺陷，導致故障率高、危害性大。為了有效預防軸承故障，目前主要采用滑油監控、軸承“三項值”檢查及振動監控等三種監控技術手段。通過對主軸承的監控，部分故障得到了一定的控制，但主軸承失效仍然是危及飛行安全的主要問題。為了保證發動機可靠工作，需要進一步完善主軸承的狀態監控措施。本文對部隊現行的主軸承監控措施存在的問題進行了分析，并就進一步完善對某型系列發動機主軸承的綜合監控措施，提出改進建議。

1主軸承及其故障情況概述

某型系列發動機服役部隊多年，從部隊使用維修情況來看，某些關鍵部件的質量安全問題非常突出，故障層出不窮。通過梳理該系列發動機在多年的使用和修理過程中暴露的1000多起較大故障，并對主要的多發性、危險性故障進行深入分析，發現該系列發動機所暴露的故障中，由于設計和制造缺陷造成的占絕大多數。目前，直接危及飛行安全的主要問題是發動機主軸承失效。

主軸承故障中，三號支點和五號支點軸承故障率高、危害性大，占所有主軸承失效故障的90%以上，是影響發動機使用安全的主要故障。故障原因主要是設計缺陷：一是兩大軸承均位于高、低壓轉子間，工作環境惡劣，承受的負荷也較大；二是潤滑系統設計不完善，軸承潤滑散熱不好。這兩大軸承故障屬于高危故障，尤其是五號支點軸承故障，可導致高低壓渦輪軸抱軸、斷裂，引起發動機空中停車，極有可能造成嚴重飛行事故。

發動機主軸承在高溫、高速以及復雜的載荷環境下工作，工作環境十分惡劣。由于載荷的復雜性和不確定性，加之潤滑條件、裝配以及材料、結構尺寸誤差等軸承內在的隨機性因素，使得發動機主軸承失效模式呈現復合性、多樣性。按過去的方法對發動機實行嚴格的飛行小時數（總循環累積）控制，不能有效避免維護周期內主軸承突然失效問題的發生。因此，從外場飛行的安全性出發，對某型系列發動機主軸承采取相關的綜合監控措施，對于改善發動機的經濟性、可靠性和安全性具有十分關鍵的作用。

2現行監控措施及其存在的問題

滑油監控、軸承“三項值”檢查和飛參振動監控，是目前外場檢查發現某型系列發動機主軸承故障的三項主要手段，綜合運用三種手段可以監控發動機狀態，發現故障征兆，將大部分軸承故障把在地面。但是，目前的技術手段仍然存在很大的局限性。比如，滑油分析和軸承“三項值”檢查只能在地面進行，而從部隊監控現狀來看，軸承故障在很多情況下具有隱蔽性，早期損傷很難發現，在地面檢查正常的情況下，也不能排除在空中軸承發生異常的可能性。一旦在空中出現軸承工作異常，飛參振動監控又無法實現對軸承損傷的提前告警，在這種情況下，現有的監控措施就顯得無能為力，往往只能等到軸承嚴重破壞，振動值超限，出現“CO”信號告警，引起發動機空中停車，甚至會導致嚴重飛行事故。針對上述問題，迫切需要研究空中軸承損傷提前告警的技術措施。

3基于振動分析的主軸承監控措施探討

發動機振動是很復雜的，激振源主要有轉子激振源、氣動激振源、軸承激振源、齒輪激振源等。機載傳感器測量的振動值是發動機轉子部件工作狀況的綜合反映，其限制值主要是保護發動機結構件和外部附件不至于遭受振動破壞，軸承振動信號比較復雜，相對于其它激振源較弱，其監測往往根據特點采用專門的方法進行，因此用振動總量來監控軸承實際上有很大的不確定性。

現有的飛參振動監控措施局限性很大，發動機裝機工作時用于振動監控的只有一個振動傳感器，且只能對振動速度進行監測，加之振動傳感器距離主軸承較遠，無法直接反映由主軸承損傷導致的振動值增大情況，這使得所得到的振動值的可用性和有效性受到很大影響。為此，根據一些文獻中介紹的基于振動分析的滾動軸承故障診斷方法，結合某型系列發動機的特點，提出以下改進措施。

3.1 在現有一個振動信號測試點的基礎上，增加振動信號測試點的數量

選擇測試點時，盡量選擇能夠直接反映軸承損傷狀況的、距離3號支點軸承和5號支點軸承較近的位置。這樣可以大大增加所測得振動值的可靠性，從而使得根據振動值的變化特點來判斷主軸承是否損傷更加有效，且有利于發現軸承的早期損傷。

3.2 增加所采用的振動傳感器的類型

結合國內外研究人員在進行滾動軸承振動分析時廣泛選用的振動傳感器類型，根據滾動軸承損傷所產生的振動信號特點，可以考慮增加采用振動加速度傳感器，這樣能夠克服只采用振動速度傳感器不能全面精確地反映軸承振動特征的缺點。

3.3 提高振動傳感器的采樣頻率

為了能夠對振動信號進行頻譜分析，提取出不同頻段的振動能量分布情況，從而更有效地對軸承進行故障診斷，需要提高振動傳感器的采樣頻率。同時，為了適應這一改變，需要增加飛參記錄器的存儲容量，來滿足振動信號實時記錄的需要。

3.4 采用更為先進的振動信號處理與分析算法

目前在發動機綜合監控實施過程中，對于振動信號只是根據經驗觀察其表象特征，根據振動曲線上的幅值、尖峰、臺階、漸變等信息來判斷軸承工作狀況，這種方法具有很大的隨意性，實際實施過程中很不嚴格。為此，可以考慮應用先進的振動信號特征提取和故障診斷技術，利用先進的信號處理算法深入分析軸承振動信號的特點，客觀全面地反映軸承的振動特征，從而更為有效地進行軸承故障診斷。

4結語

本文提出的上述措施，必將大大提高基于振動分析的主軸承狀態監控與故障診斷的有效性。當然，這些措施實施起來并非易事，需要克服的難點和解決的關鍵技術很多。尤其是在發動機上工作的主軸承發生不同類型的早期損傷以后，將會引起發動機不同部位的振動信號產生怎樣的變化，不同的損傷怎樣進行區分，目前并不是很清楚。要獲得這些信息，必須做大量的試驗，根據試驗結果做進一步深入的研究。

參考文獻

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