中介軸承內外圈同向和反向旋轉振動分析

喬保棟，張東明，于明月

（1.沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.沈陽航空航天大學 自動化學院，沈陽 110015）

中介軸承在雙轉子航空發動機中使用非常普遍，是連接高壓轉子與低壓轉子之間的關鍵支承部件。中介軸承通常是圓柱滾子軸承，發生故障會導致轉子振動增大，甚至發生轉子抱死，發動機空中停車等嚴重事故。因此，對中介軸承進行狀態監測及故障診斷十分重要[1-6]。

滾動軸承故障信號具有信號微弱、調制性強、頻帶范圍寬等特征，常常會出現誤診及漏診現象。目前小波分析已被廣泛應用于常規支承形式（即外圈靜止，內圈與軸一起旋轉）的滾動軸承故障診斷中[7-8]，并取得了比較理想的效果；而對于內、外圈同時旋轉的中介軸承的故障診斷應用較少。基于此，結合中介軸承的故障特征公式，考慮內、外圈同向和反向旋轉2種工況，利用小波分析對真實航空發動機的中介軸承故障數據進行分析。

1 中介軸承故障特征公式

假設ni，ne分別為中介軸承內、外圈的轉速，轉速方向相同則ni與ne同號，轉速方向相反則ni與ne反號。Dw為滾動體直徑，Dpw為滾子組節圓直徑，R為外滾道半徑，r為內滾道半徑，Z為滾動體數，α為接觸角。依據文獻[1-2]推導得中介軸承各故障特征公式如下。

2 中介軸承故障分析

某型雙轉子航空發動機轉子支承動力學模型如圖1所示，中介軸承實現了高壓轉子與低壓轉子的連接，其具體參數及特征頻率見表1。為監測發動機振動，在后機匣的水平和垂直方向各安裝1個振動加速度傳感器。

圖1 某型雙轉子航空發動機轉子支承動力學模型Fig.1 Rotor supporting dynamic model of a certain type of dual-rotor areo-engine

表1 中介軸承的結構參數Tab.1 Structure parameters for intershaft bearing

2.1 保持架故障-高、低壓轉子旋轉方向相同

選用上述雙轉子航空發動機進行臺架試驗，高壓轉子與低壓轉子旋轉方向相同，高壓轉子轉速 ne＝19 890 r／min，對應的基頻 fNe＝331.5 Hz；低壓轉子轉速ni＝5 700 r／min，對應的基頻 fNi＝95 Hz，計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，同時后機匣水平及垂直方向的高壓振動監測值隨轉速增大而增大，與以往試車振動變化不一致。

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

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

圖2 水平方向振動加速度信號時頻圖Fig.2 Time-frequency diagram of vibration acceleration signal in horizontal direction

應用小波變換對該加速度信號進行分解，小波分解與重構采用Mallat算法，選用小波函數db2進行3層分解，得到各分解層中重構的細節信號并對其進行頻譜分析，結果如圖3所示。

圖3 水平方向小波重構信號的時頻圖Fig.3 Time-frequency diagram of wavelet reconstructed signal in horizontal direction

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

對比表2可知：后機匣水平方向振動加速度信號經過小波分析后，各層重構信號的頻譜上的未知頻率106.5 Hz與fem理論計算值108 Hz接近，出現1.5 Hz誤差的原因是軸承幾何尺寸量取時存在誤差且軸承發生磨損時幾何尺寸會有細微變化，基本可以判定中介軸承出現了故障。對中介軸承進行分解檢查，結果如圖4所示。從圖中可以看出：中介軸承的保持架、滾動體和外滾道均有磨損痕跡，振動信號上主要表現為單個滾動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 滾動體磨損-高壓轉子和低壓轉子旋轉方向相反

同樣采用上述雙轉子航空發動機進行臺架試驗，高壓轉子與低壓轉子旋轉方向相反，低壓轉子轉速 ni＝12 420 r／min（fNi＝207 Hz），高壓轉子轉速 ne＝19 710 r／min（fNe＝328.5 Hz），計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，軸承發生磨損，中介軸承內外圈轉速方向相反，滾動體自轉頻率較高，滾動體磨損嚴重，造成中介軸承徑向工作游隙偏大，發動機振動較大。對該發動機渦輪后機匣垂直方向加速度信號進行分析。

后機匣垂直方向原始振動信號的時頻圖如圖5所示。從圖中可以看出：振動信號上主要表現為低壓轉子基頻（207 Hz），高壓轉子基頻（328.5 Hz），高、低壓轉子差頻（121.5 Hz）。采用小波變換對該加速度信號進行分析，得到3層細節信號的重構信號，對各層重構信號進行頻譜分析，結果如6所示。

圖5 垂直方向振動加速度信號時頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of vibration acceleration signal in vertical direction

圖6 垂直方向小波重構信號的時頻圖Fig.6 Time-frequency diagram of wavelet reconstructied signal in vertical direction

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

對比表3可知：后機匣垂直方向振動加速度信號經過小波分析后，各層重構細節信號頻譜上的未知頻率168 Hz，336 Hz和420 Hz與f02理論計算值83.5 Hz的2倍頻、4倍頻和5倍頻接近，出現1～2.5 Hz誤差的原因是軸承幾何尺寸量取時存在誤差且軸承發生磨損時幾何尺寸會有細微變化，基本可以判定中介軸承出現了故障。對中介軸承進行分解檢查，結果如圖7所示。從圖中可以看出：中介軸承的滾動體磨損嚴重，軸承徑向游隙變大，振動信號上主要表現滾動體公轉頻率（保持架旋轉頻率）。

圖7 滾動體磨損示意圖Fig.7 Wear diagram of rolling element

3 結束語

運用小波分析技術，結合實際航空發動機振動試驗數據，對內、外圈同向及反向旋轉的中介軸承進行故障特征提取研究，通過拆解軸承驗證了方法的有效性，并總結出以下規律：

1）中介軸承內、外圈轉速方向相同時，旋轉頻率較高。保持架、滾動體和外圈滾道發生磨損時，振動信號上主要表現單個滾動體在外圈滾道通過頻率。

2）中介軸承內、外圈轉速方向相反時，滾動體自轉特征頻率較高，滾動體較易發生磨損，軸承徑向工作游隙變大，振動信號中表現出高、低壓轉子的基頻，保持架旋轉頻率的倍頻以及低壓轉子基頻與保持架旋轉頻率的組合頻率等。