基于振動分析的直升機主減速器滾動軸承故障診斷

王傳奇，徐童童， 馮 磊

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室；2.哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司，哈爾濱 150066）

基于振動分析的直升機主減速器滾動軸承故障診斷

王傳奇1，徐童童2， 馮 磊2

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室；2.哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司，哈爾濱 150066）

對于直升機主減速器，滾動軸承故障診斷意義重大，振動分析是診斷滾動軸承故障最有效的手段。本文從軸承特征頻譜理論和實踐經(jīng)驗出發(fā)，對滾動軸承故障特征及檢測方法進行了分析。

滾動軸承；故障診斷；振動分析

0 引言

直升機主減速器是直升機的動力傳動裝置，是直升機的核心。而滾動軸承是主減速器最關(guān)鍵的部件之一，它起著承受載荷和傳遞動力的作用，其運行狀態(tài)是否正常往往直接影響主減速器的性能，滾動軸的地位獨特而重要，從而決定了滾動軸承一旦出現(xiàn)故障，必然導(dǎo)致主減速器，甚至是直升機癱瘓。因此對直升機主減速器滾動軸承實施狀態(tài)檢測和故障診斷有著重要的意義。其中，振動分析法以其在診斷過程中運用范圍廣，且可適用于實時在線監(jiān)測的優(yōu)勢.被認為是評估軸承運行狀態(tài)最廣泛應(yīng)用的一種方法。

1 滾動軸承故障機理分析

1.1 滾動軸承振動機理

滾動軸承在直升機主減速器中的運行：滾動軸的外圈與軸承座或機匣殼體連接，相對固定；內(nèi)圈與軸相連，在工作中隨軸一起轉(zhuǎn)動。能夠引起滾動軸承力學(xué)模型平衡狀態(tài)發(fā)生變化的外界機理和內(nèi)部變化都會造成滾動軸承產(chǎn)生振動，一次造成軸承振動的原因很多，概括起來可以分為兩方面，其一為內(nèi)部因素，包括軸承的結(jié)構(gòu)特點、加工及裝配誤差、運行中軸承自身零部件產(chǎn)生的故障等；其二為外部因素，包括軸上其它零部件傳遞過來的運動和力等。當軸在一定的載荷作用下，以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，對外圈和軸承座/機匣殼體組成的振動系統(tǒng)產(chǎn)生激勵，在多種因素作用下使該系統(tǒng)發(fā)生振動響應(yīng)。

1.2 滾動軸承的固有頻率和故障特征頻率

1.2.1 固有頻率

滾動軸承的固有頻率只與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，但可分為多階固有頻率。鋼材質(zhì)的軸承圈在自由狀態(tài)下的徑向彎曲振動的固有頻率計算公式如下：

（b）軸承內(nèi)、外圈的固有頻率：

式中，r為滾動體半徑，p為材料密度，E為彈性模量，n為固有頻率的階次，I為套圈截面繞中性軸的慣性矩，r為回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑，M為單位長度的質(zhì)量。

1.2.2 故障特征頻率

滾動軸承在回轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動是隨機的，含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征固有頻率。故障特征頻率根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算如下：

2 滾動軸承的故障診斷方法

2.1 簡易診斷法

2.1.1 振幅值診斷法

振幅值指峰值Xp、平均值X。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300rpm以下），也常采用峰值進行診斷。從參數(shù)的選取上來講，一般的檢測儀器的峰值測量都采用加速度峰值。

2.1.2 波形指標診斷法

波形指標為峰值與均值之比（Xp/X）。該值用于滾動軸承簡易診斷的有效指標之一。當Xp/X過大時，表明滾動軸承可能有點蝕，而Xp/X值過小時，則有可能發(fā)生了磨損。

2.1.3 峰值指標診斷法

峰值指標為峰值與均方根值之比（Xp/XRMS）。該值用于點蝕類故障的診斷，通過對峰值指標隨時間變化趨勢的檢測，可以有效地對滾動軸承進行早期預(yù)報，并能反應(yīng)故障的發(fā)展變化趨勢。當滾動軸承無故障時，峰值指標為一個較小的穩(wěn)定值，一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故Xp/XRMS增大；故當故障不斷擴展，峰值逐漸達到極限值后，均方根值則開始增大，Xp/XRMS逐步減小，直至恢復(fù)到無故障的大小。

2.2 精密診斷法

包絡(luò)解調(diào)分析法屬精密診斷方法。許多故障的振動信號表現(xiàn)為幅度調(diào)制，而調(diào)制信號即包絡(luò)線多為故障信號，包絡(luò)解調(diào)就是對信號進行解調(diào)分離提取出包絡(luò)信號，再分析它的特征頻率和幅值。就能準確可靠地診斷出軸承的疲勞剝落。對于滾動軸承的診斷是將由加速度傳感器獲得的加速度信號經(jīng)過1KHz的高通濾波器去除低頻信號后，對其進行包絡(luò)處理，將調(diào)制信號移至低頻，最后進行頻譜分析，以找出信號的特征頻率。

3 應(yīng)用實例分析

3.1 實例簡介

某型直升機主減速器在進行試驗時的最高轉(zhuǎn)速20900r/min，最大功率850kW，運行狀態(tài)良好。但當試驗進行到362小時時發(fā)現(xiàn)左側(cè)輸入級振動突然變大，此處采用加速度傳感器（型號：Wave Book），主減速器輸入級結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3.2 故障診斷

3.2.1 特征頻率計算

輸入級雙排球軸承的參數(shù)如表1所示。

表1

由1.2.2節(jié)中的相關(guān)公式計算輸入級雙排球軸承特征頻率結(jié)果如表2所示。

表2

3.2.2 診斷分析

試驗過程中，振動信號通過主減速器輸入級的徑向部位傳感器采集，主要反饋主減速器輸入級各部件在試驗中的運行情況。圖2～4顯示試驗從40到200小時，主減速器輸入級雙排球軸承的振動信號包絡(luò)圖譜，從圖中可以看出，所有涉及到雙排球軸承特征頻率的振動值均不超限。圖5顯示試驗進行到362小時，雙排球軸承的振動波形圖，從圖中可以看出，在2580Hz處有一個較突出的峰值，該頻率與列1軸承外圈的特征頻率2582.3Hz基本一致，振動值達到3.5g，通過該振動信號包絡(luò)圖譜可以看出，雙排球軸承外圈在該時間點已出現(xiàn)故障。

為了確認軸承外圈故障發(fā)生的具體時間，將外圈特征頻率與時間關(guān)系建立坐標系。如圖6所示，從圖中不難看出，試驗的前320小時，外圈的振動值維持在1g以下，未發(fā)生突變，表明軸承外圈工作正常，未發(fā)生異常情況。在試驗進行到330小時至360小時期間，外圈的振動值發(fā)生變化，逐漸增大，最后達到1.5g以上，說明該階段為軸承外圈剝落故障起始及拓展階段。在試驗進行到362小時后，外圈的振動值顯著增加，發(fā)生突變，最大振動值達到3.5g，說明在362小時之后，外圈已經(jīng)徹底發(fā)生剝落故障，軸承接觸表面凹凸不平導(dǎo)致振動增大。

將主減速器分解后，檢查發(fā)現(xiàn)軸承外圈滾道出現(xiàn)疲勞剝落，這也驗證了加速度包絡(luò)分析的有效性。

4 結(jié)論

振動信號是滾動軸承運行狀態(tài)的主要反應(yīng)形式之一，也是對滾動軸承實施檢測和故障診斷的最主要的分析對象。本文利用振動測試儀對振動信號進行采集，通過特征集進行識別和分析判斷滾動軸承運行狀態(tài)，早期識別滾動軸承各元件故障情況，避免更大的損失。

［1］盛兆順，尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］王江萍.機械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［J］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.188