某多級(jí)軸流壓氣機(jī)故障振動(dòng)分析

中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 鄧曉亮 任 帥

某型壓氣機(jī)采用四級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速在20900r/min做性能特性試驗(yàn)過峰值效率點(diǎn)時(shí)，發(fā)生前后軸承嚴(yán)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(jī)工作轉(zhuǎn)速高，一旦發(fā)生故障，壓氣機(jī)各部件一般受損都比較嚴(yán)重，而且壓氣機(jī)故障發(fā)生后受損件一般不止一件，同時(shí)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(dòng)頻譜和時(shí)域數(shù)據(jù)，找出出現(xiàn)異常變化的蛛絲馬跡，為推斷試驗(yàn)件故障真正原因，最終排除故障提供技術(shù)支持。

1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

為測(cè)量壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)情況，在試驗(yàn)件進(jìn)口和出口的外機(jī)匣各設(shè)置徑向垂直和徑向水平兩個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，該型壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)測(cè)點(diǎn)代號(hào)及位置如下：

Tiz——進(jìn)口徑向垂直測(cè)點(diǎn)；

Tiy——進(jìn)口徑向水平測(cè)點(diǎn)；

Toz——出口徑向垂直測(cè)點(diǎn)；

Toy——出口徑向水平測(cè)點(diǎn)。

機(jī)匣上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選用高溫壓電加速度振動(dòng)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(diǎn)，能適應(yīng)機(jī)匣外部的惡劣工作環(huán)境。機(jī)匣振動(dòng)通過高溫壓電加速度振動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，經(jīng)過高溫低噪聲電纜傳輸進(jìn)入專用振動(dòng)測(cè)試儀；經(jīng)專用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后，振動(dòng)總量信號(hào)進(jìn)入數(shù)采系統(tǒng)、通頻信號(hào)進(jìn)入振動(dòng)記錄分析儀，對(duì)壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)后數(shù)據(jù)回放分析處理。

2 試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)過程

某壓氣機(jī)試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速在20900r/min以下時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)件測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值穩(wěn)定，振動(dòng)總量不超過8.2mm/s；試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速在20900r/min停留約3分鐘以后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總量突然增大、最大值達(dá)2000mm/s以上，遠(yuǎn)超出12.5mm/s的振動(dòng)限制值，車臺(tái)緊急停車。

2.2 試驗(yàn)后的檢查情況

試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：后軸承機(jī)匣組件與排氣機(jī)匣脫落，套齒軸罩殼變形，臺(tái)架浮動(dòng)軸花鍵磨損嚴(yán)重，套齒軸罩殼軸向變形嚴(yán)重，撓度探針斷裂，中間圓弧端齒轉(zhuǎn)接段單獨(dú)脫落，兩對(duì)圓弧端齒磨損嚴(yán)重。

3 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

3.1 時(shí)域數(shù)據(jù)分析

圖1為故障發(fā)生前后6秒試驗(yàn)件振動(dòng)總量曲線圖，由圖1可得：

t1時(shí)刻前各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總量穩(wěn)定不超過8.2mm/s；t1～t2之間（約2秒）進(jìn)口振動(dòng)總量明顯增大，出口振動(dòng)總量無明顯變化；t2時(shí)刻所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總量急劇增大。

圖1 試驗(yàn)件振動(dòng)總量曲線

壓氣機(jī)試驗(yàn)件故障發(fā)生前后時(shí)域振動(dòng)波形如圖2所示,圖2上半圖為試驗(yàn)件進(jìn)口垂直方向振動(dòng)時(shí)域波形圖，圖2下半圖為試驗(yàn)件出口垂直方向振動(dòng)時(shí)域波形圖，由圖2可得：壓氣機(jī)進(jìn)口垂直方向出現(xiàn)異常振動(dòng)比壓氣機(jī)出口垂直方向出現(xiàn)異常振動(dòng)提前約0.1秒；時(shí)域波形與振動(dòng)總量的變化時(shí)間順序一致。

壓氣機(jī)進(jìn)口振動(dòng)時(shí)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(jī)的前端。

圖2 故障發(fā)生前后試驗(yàn)件垂直方向振動(dòng)時(shí)域波形

3.2 振動(dòng)頻譜分析

t1時(shí)刻前壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速開始在20900r/min停留，直到t1時(shí)刻試驗(yàn)件4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子基頻及其諧波的振動(dòng)幅值比較穩(wěn)定；振動(dòng)頻譜譜線干凈，因此認(rèn)為t1時(shí)刻前試驗(yàn)件振動(dòng)情況良好。

為進(jìn)一步研究t1時(shí)刻后壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)情況，做出故障前后12秒的振動(dòng)瀑布圖見圖3。

圖3 壓氣機(jī)故障發(fā)生前后12秒Tiz瀑布圖

由圖3可得：t2時(shí)刻之前壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)穩(wěn)定在8mm/s以下；壓氣機(jī)外機(jī)匣在t1時(shí)刻開始出現(xiàn)1095Hz未知振源的頻率成分，t2時(shí)刻該頻率逐漸增大至1120Hz，Tiz測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值從2.8mm/s增大到19.7mm/s,事實(shí)上，Tiy測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率的振動(dòng)幅值也具有相同變化趨勢(shì)，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(shí)約2秒。

4 異常頻率分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)幅值逐漸增大，2秒左右達(dá)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(dòng)機(jī)各級(jí)傳動(dòng)比例關(guān)系不對(duì)應(yīng)，而與軸承故障特征頻率相近，因此著重對(duì)軸承故障特征頻率進(jìn)行分析。

4.1 滾動(dòng)軸承故障特征頻率理論計(jì)算

滾動(dòng)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(dòng)體故障和保持架故障，振動(dòng)故障診斷一般基于第二種分類方法。

滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障后，故障部件和其它部件接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，滾動(dòng)軸承振動(dòng)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(duì)滑動(dòng)且徑向游隙為零的約束條件下，可得滾動(dòng)軸承元件的故障特征頻率理論計(jì)算公式見表1。

表1 滾動(dòng)軸承故障特征頻率

4.2 故障特征頻率計(jì)算

查得該型壓氣機(jī)試驗(yàn)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(jì)算公式和表2的軸承參數(shù)，得到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在20900r/min時(shí)的軸承故障特征頻率見表3。

外機(jī)匣振動(dòng)頻譜在t1～t2時(shí)刻出現(xiàn)的1095Hz～1120Hz的頻率成分與前軸承滾動(dòng)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(jì)算軸承滾動(dòng)體故障特征頻率符合。

表3 軸承故障特征頻率計(jì)算值

通過上述振動(dòng)分析，推斷此次壓氣機(jī)試驗(yàn)件故障發(fā)生的起始位置為前軸承。

5 試驗(yàn)件分解檢查

壓氣機(jī)試驗(yàn)件下臺(tái)分解檢查發(fā)現(xiàn)：各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖均有較為嚴(yán)重的磨損，從第一級(jí)到第四級(jí)逐級(jí)磨損遞增，葉片尾緣靠近葉尖處逐級(jí)燒蝕遞減；各級(jí)箆齒及對(duì)應(yīng)涂層磨損嚴(yán)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(yán)重，可見大量的燒結(jié)堆積物；前軸承滾子磨損嚴(yán)重，滾子已經(jīng)明顯變小；后軸承外圈靠前一側(cè)有磨損痕跡，內(nèi)滾道磨損嚴(yán)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(yán)重。

6 結(jié)論

壓氣機(jī)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(duì)順利排故至關(guān)重要。本文通過對(duì)故障發(fā)生前后振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用時(shí)域方法發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)進(jìn)口時(shí)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(jì)算等方法，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生前短時(shí)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(jìn)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(duì)工程實(shí)踐中發(fā)生類似故障有較大的指導(dǎo)借鑒作用。