某多級軸流壓氣機故障振動分析

中國航發(fā)湖南動力機械研究所 鄧曉亮 任 帥

某型壓氣機采用四級軸流壓氣機設(shè)計，試驗件轉(zhuǎn)速在20900r/min做性能特性試驗過峰值效率點時，發(fā)生前后軸承嚴重磨損卡死、轉(zhuǎn)子中心拉桿斷裂、轉(zhuǎn)子葉片磨損故障，由于壓氣機工作轉(zhuǎn)速高，一旦發(fā)生故障，壓氣機各部件一般受損都比較嚴重，而且壓氣機故障發(fā)生后受損件一般不止一件，同時受損件之間存在一定的關(guān)聯(lián)，要判斷故障發(fā)生的起因往往難度較大，所以排故工作中定位故障的原發(fā)位置顯的尤為重要。本文通過分析故障發(fā)生前后振動頻譜和時域數(shù)據(jù)，找出出現(xiàn)異常變化的蛛絲馬跡，為推斷試驗件故障真正原因，最終排除故障提供技術(shù)支持。

1 振動測試系統(tǒng)

為測量壓氣機試驗件振動情況，在試驗件進口和出口的外機匣各設(shè)置徑向垂直和徑向水平兩個振動測點，該型壓氣機試驗件振動測點代號及位置如下：

Tiz——進口徑向垂直測點；

Tiy——進口徑向水平測點；

Toz——出口徑向垂直測點；

Toy——出口徑向水平測點。

機匣上的振動測點選用高溫壓電加速度振動傳感器，該型加速度傳感器具有頻響寬、體積小、耐高溫、穩(wěn)定性好等特點，能適應(yīng)機匣外部的惡劣工作環(huán)境。機匣振動通過高溫壓電加速度振動傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，?jīng)過高溫低噪聲電纜傳輸進入專用振動測試儀；經(jīng)專用振動測試儀對電荷信號進行放大、濾波后，振動總量信號進入數(shù)采系統(tǒng)、通頻信號進入振動記錄分析儀，對壓氣機試驗件振動進行實時監(jiān)測和試驗后數(shù)據(jù)回放分析處理。

2 試驗情況

2.1 試驗過程

某壓氣機試驗件進行試驗，試驗件轉(zhuǎn)速在20900r/min以下時，4個試驗件測點振動幅值穩(wěn)定，振動總量不超過8.2mm/s；試驗件轉(zhuǎn)速在20900r/min停留約3分鐘以后，4個測點振動總量突然增大、最大值達2000mm/s以上，遠超出12.5mm/s的振動限制值，車臺緊急停車。

2.2 試驗后的檢查情況

試驗后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：后軸承機匣組件與排氣機匣脫落，套齒軸罩殼變形，臺架浮動軸花鍵磨損嚴重，套齒軸罩殼軸向變形嚴重，撓度探針斷裂，中間圓弧端齒轉(zhuǎn)接段單獨脫落，兩對圓弧端齒磨損嚴重。

3 振動數(shù)據(jù)分析

3.1 時域數(shù)據(jù)分析

圖1為故障發(fā)生前后6秒試驗件振動總量曲線圖，由圖1可得：

t1時刻前各測點振動總量穩(wěn)定不超過8.2mm/s；t1～t2之間（約2秒）進口振動總量明顯增大，出口振動總量無明顯變化；t2時刻所有測點振動總量急劇增大。

圖1 試驗件振動總量曲線

壓氣機試驗件故障發(fā)生前后時域振動波形如圖2所示,圖2上半圖為試驗件進口垂直方向振動時域波形圖，圖2下半圖為試驗件出口垂直方向振動時域波形圖，由圖2可得：壓氣機進口垂直方向出現(xiàn)異常振動比壓氣機出口垂直方向出現(xiàn)異常振動提前約0.1秒；時域波形與振動總量的變化時間順序一致。

壓氣機進口振動時域波形出現(xiàn)異常變化比出口早，據(jù)此表明：故障的原發(fā)部位在壓氣機的前端。

圖2 故障發(fā)生前后試驗件垂直方向振動時域波形

3.2 振動頻譜分析

t1時刻前壓氣機轉(zhuǎn)速開始在20900r/min停留，直到t1時刻試驗件4個測點的壓氣機轉(zhuǎn)子基頻及其諧波的振動幅值比較穩(wěn)定；振動頻譜譜線干凈，因此認為t1時刻前試驗件振動情況良好。

為進一步研究t1時刻后壓氣機試驗件振動情況，做出故障前后12秒的振動瀑布圖見圖3。

圖3 壓氣機故障發(fā)生前后12秒Tiz瀑布圖

由圖3可得：t2時刻之前壓氣機轉(zhuǎn)子基頻振動穩(wěn)定在8mm/s以下；壓氣機外機匣在t1時刻開始出現(xiàn)1095Hz未知振源的頻率成分，t2時刻該頻率逐漸增大至1120Hz，Tiz測點對應(yīng)的振動幅值從2.8mm/s增大到19.7mm/s,事實上，Tiy測點對應(yīng)頻率的振動幅值也具有相同變化趨勢，由0.5mm/s增大到14.3mm/s(Tiy瀑布圖和圖3類似，文中未列圖)。從出現(xiàn)1095Hz到1120Hz，歷時約2秒。

4 異常頻率分析

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化的情況下，出現(xiàn)1100Hz左右的異常頻率，且其頻率及振動幅值逐漸增大，2秒左右達到峰值。此頻率與燃發(fā)轉(zhuǎn)子基頻比例約為1.57，與發(fā)動機各級傳動比例關(guān)系不對應(yīng)，而與軸承故障特征頻率相近，因此著重對軸承故障特征頻率進行分析。

4.1 滾動軸承故障特征頻率理論計算

滾動軸承故障形式可分為磨損、剝落、塑性變形、膠合和保持架斷裂等故障，而根據(jù)故障的部位又可分為內(nèi)環(huán)故障、外環(huán)故障、滾動體故障和保持架故障，振動故障診斷一般基于第二種分類方法。

滾動軸承出現(xiàn)故障后，故障部件和其它部件接觸時會產(chǎn)生沖擊振動，滾動軸承振動頻譜出現(xiàn)故障特征頻率、或以固有頻率為載波以特征頻率為調(diào)制邊頻的邊頻帶。在外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、滾子（包括滾珠和滾棒）與滾道無相對滑動且徑向游隙為零的約束條件下，可得滾動軸承元件的故障特征頻率理論計算公式見表1。

表1 滾動軸承故障特征頻率

4.2 故障特征頻率計算

查得該型壓氣機試驗件前后軸承分別采用球軸承和圓柱滾子軸承，軸承參數(shù)如表2所示。

表2 軸承參數(shù)

由表1的計算公式和表2的軸承參數(shù)，得到壓氣機轉(zhuǎn)速在20900r/min時的軸承故障特征頻率見表3。

外機匣振動頻譜在t1～t2時刻出現(xiàn)的1095Hz～1120Hz的頻率成分與前軸承滾動體沖擊單側(cè)滾道的故障特征頻率1122.2Hz相差不大（-2.69%～-0.20%），與理論計算軸承滾動體故障特征頻率符合。

表3 軸承故障特征頻率計算值

通過上述振動分析，推斷此次壓氣機試驗件故障發(fā)生的起始位置為前軸承。

5 試驗件分解檢查

壓氣機試驗件下臺分解檢查發(fā)現(xiàn)：各級轉(zhuǎn)子葉片葉尖均有較為嚴重的磨損，從第一級到第四級逐級磨損遞增，葉片尾緣靠近葉尖處逐級燒蝕遞減；各級箆齒及對應(yīng)涂層磨損嚴重；轉(zhuǎn)子中心拉桿已斷裂；前軸承外圈內(nèi)滾道磨損燒傷嚴重，可見大量的燒結(jié)堆積物；前軸承滾子磨損嚴重，滾子已經(jīng)明顯變??；后軸承外圈靠前一側(cè)有磨損痕跡，內(nèi)滾道磨損嚴重，止口兩側(cè)有不同程度的擠壓磨損；軸承滾子磨損燒傷嚴重。

6 結(jié)論

壓氣機發(fā)生故障后，受損件較多，如何抽絲剝繭找出故障原發(fā)件對順利排故至關(guān)重要。本文通過對故障發(fā)生前后振動數(shù)據(jù)進行分析，利用時域方法發(fā)現(xiàn)壓氣機進口時域波形出現(xiàn)異常變化先于出口，利用頻域圖、瀑布圖及特征頻率計算等方法，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生前短時出現(xiàn)的異常頻率和前軸承故障特征頻率相符合，最終判斷前軸承故障為原發(fā)故障，為排故順利進行提供了正確思路和有效技術(shù)支撐。本論文提出的排故思路和方法對工程實踐中發(fā)生類似故障有較大的指導(dǎo)借鑒作用。