轉軸與密封碰摩故障及振動響應特征分析

萬 召，馬會防，曹 沖，王衛國

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

碰摩是一個復雜的非線性多場耦合問題，主要涉及到摩擦熱、力沖擊、耦合振動、剛度增強等[1]，一方面碰摩會對轉子產生徑向力和摩擦扭矩激勵，還會形成附加支承，通常會加劇轉-靜子系統振動；另一方面，摩擦生熱會使碰摩位置會產生高溫，散熱不暢時會導致轉、靜子熱彎曲等膨脹變形及材料特性變化，嚴重時會導致轉靜子抱死、零件燒蝕或失火（如鈦火）。而由于碰摩工況的多樣性，碰摩振動響應特征也大相徑庭，使得基于振動響應的碰摩故障診斷也十分困難。

馬輝等[2]綜述了轉子系統碰摩故障實驗研究的進展，并總結了各種碰摩故障的振動響應特征，指出當轉子轉速低于其1 階臨界轉速時，碰摩響應呈現2X、3X等倍頻特征；而高于1 階臨界轉速時，碰摩響應以X/2、X/3等分頻為主，同時也說明各種碰摩工況表現出的振動特征既有倍頻又有分頻特征；此外還總結了單點、局部及整周碰摩所用實驗裝置及實驗現象，對比了簡單、復雜轉子系統局部碰摩，旋轉葉片-機匣局部碰摩，這幾種典型故障的特征，但沒有論述到碰摩熱效應相關試驗研究，介紹了Hall[3]等通過設計弧形密封件來模擬轉子與密封之間的碰摩，崔淼等[4]也從不同角度做過類似的試驗研究。

丁千等[5]從理論、實驗研究和現場故障分析、排除等方面對汽輪發電機組摩擦振動相關研究結果和現狀作了簡要總結，文中指出摩擦熱沖擊（摩擦熱彈性彎曲）有時比碰摩力沖擊的危害更大；黃葆華等[1]基于熱彎矩效應導出了熱彎曲摩擦單元與軸單元的傳遞矩陣，研究了熱彎曲會引起轉子不平衡量變化以及轉子失穩的問題。姚紅良等[6]結合轉子動力學理論和熱傳導理論，建立摩擦熱彎曲轉子系統的有限元結構-三維熱場耦合模型，基于該模型分析了轉子系統穩定性。田永偉等[7]建立了摩擦轉子動力學方程與熱沖擊溫度耦合的時變方程，包括振動特性對摩擦熱量的影響，并分析某實際發電機轉子摩擦情況下的振動特性。總之，目前對于碰摩的理論和試驗研究主要還是圍繞碰摩所產生的激振載荷的理論建模、試驗模擬及故障特征分析；而對碰摩的熱效應、熱致碰摩、熱機耦合的研究還不夠充分，對于碰摩中沖擊力和熱效應耦合的理論研究尚不完全滿足實際工程應用的需要。

本文報道了某試驗器的驅動軸與篦齒密封件之間的碰摩故障，碰摩的熱效應導致密封膠圈燒蝕、摩擦瞬時高溫導致銅質密封材料軟化、受轉軸擠壓流動，轉靜子抱死等嚴重問題，通過對轉子-蓖齒密封的結構分析和分解檢查，判明了碰摩位置，確定了篦齒密封結構及安裝方式不合理是引起碰摩的主要原因。重點對碰摩時軸承座的加速度響應信號作了詳細的分析研究，提取了碰摩時振動響應的若干重要特征，相關的分析方法和特征可為工程中判定碰摩故障提供支撐。

1 轉子-密封結構與碰摩問題

1.1 轉子-篦齒密封結構分析

如圖1所示，為某臥式旋轉試驗器的驅動軸-密封與支承系統的結構，從左至右分別為：①艙內軸承座；②驅動軸；③真空艙壁；④轉接波紋管；⑤密封基座；⑥艙外軸承座。由于驅動軸②需要穿過真空艙壁③，其在結構上較長，為保證其剛性，在艙內、外各設有一個軸承座（①、⑥），并采用高速球軸承面對面安裝來支承驅動軸。驅動軸右側與高速齒輪箱的輸出軸相連，將驅動扭矩傳遞到左側的真空艙內。

位于驅動軸左側的真空艙用于放置轉子試驗件，通過真空泵組可將真空艙壓力抽至800 Pa以下，以降低試驗件的氣動風阻，因此試驗器具有開展帶葉片轉子實驗的能力。由于驅動轉軸②穿過真空艙壁③，需要在真空艙壁上開孔，為保證真空艙的真空度，需要設置動靜密封，以降低開孔處的空氣泄露，為獲得好的密封效果，設計的半徑密封間隙為0.1 mm。

另外，由于抽真空后，真空艙體會受到很大的大氣壓力，長期使用時真空艙體會發生微小的變形，如果將密封結構安裝在艙壁上，艙壁變形會引起密封間隙的變化，嚴重時艙體變形量會大于密封間隙值，可能導致驅動軸與密封的碰摩。因此動靜密封的設置，必須考慮到艙體變形的影響。

圖1 驅動軸系結構

為了克服艙體變形對動靜密封的影響，通過設計一個柔性轉接波紋管結構④，將動靜密封從可能變形的真空艙壁③轉移到獨立的剛性密封基座⑤上，篦齒密封銅套安裝于密封基座內，而密封基座則安裝于剛性基礎平臺上，其變形可以忽略，即真空箱體相對驅動軸的變形由柔性波紋管來協調，篦齒密封與驅動軸間的間隙不受箱體變形的影響。如圖1所示，轉接波紋管④的中間為柔性波紋管結構，可以允許有較大的變形，左右兩側分別為法蘭，左端與真空艙壁連接③，右端與密封基座⑤連接。

篦齒密封銅套與密封基座之間的安裝關系如圖1中的局部放大圖所示，其中(a)為密封銅套，(b)、(d)為密封膠圈，(c)為防轉銷釘，具體的：銅套與密封基座的徑向定位依靠銅套外圓與密封基座的孔軸過渡配合；銅套的軸向定位和角向防轉，是通過在銅套與密封基座之間配做兩個角向對稱的軸向螺紋孔，并通過防轉銷釘(c)來防止銅套的軸向和角向竄動。在銅套與密封基座之間設置有密封膠圈，以減少銅套與密封基座之間間隙所引起的泄露；篦齒密封選用軟質的黃銅材質，在發生碰摩時可以保護驅動軸。

1.2 碰摩現象分析

試驗器在交付使用之前，需要驗證試驗器各項性能指標是否達到設計要求，對于驅動系統來說，需要對轉速（包括最高轉速、轉速控制穩定性），以及驅動軸系的振動品質進行調試驗證。為驗證試驗器驅動軸的輸出轉速能否達到設計要求的最高轉速20 000 r/min，同時驗證轉速的穩定性以及驅動軸系的振動品質，對驅動系統從低到高按照一定階梯逐步開展轉速調試。在某次空載轉速調試過程中，當驅動軸轉速逐步上升至約10 500 r/min時，在驅動軸穿過的真空艙壁的內、外兩側均有白煙冒出，且伴隨著較濃烈的橡膠燃燒的味道，發現該情況后，迅速將驅動轉速調至0。停車后現場檢查發現：

1)密封軸承座外表溫度較高；

2)密封軸承座右端面有明顯燒蝕痕跡；

3)驅動軸卡滯、無法盤車。

經現場勘驗，初步確定故障位置在驅動軸與動靜密封處，故障原因初步判斷為驅動軸與密封銅套的碰摩。如圖2所示，為密封基座位置的現場照片，為便于對應，圖2中各部件編號與圖1驅動軸系結構中編號保持一致。從圖中可以看到，密封基座②右側端面（靠近艙外軸承座①一側）有明顯燒蝕的痕跡。

圖2 密封軸承座及驅動軸現場圖

如圖3所示，進一步對驅動軸與密封銅套碰摩的情況進行檢查，由于銅套與驅動軸卡死，無法將其從軸上分解下來，需用切割機將銅套切開口，方可將銅套分解下來。

圖3 軸與銅套的碰摩與卡滯

觀察驅動軸可以發現，其上有2 段亮銅色的碰摩帶：其中一段是片狀、連續的光亮區，對應銅套右端的實心段；另外一段呈現亮銅色與黑色相間的帶狀碰摩區域，與銅套中間蓖齒段相對應。其中片狀區域即銅套右側實心段碰摩最為嚴重，且摩擦高溫導致銅軟化，部分銅材被軸擠出到銅套的右端面；帶狀區域即銅套蓖齒區碰摩程度次之；銅套左端實心段碰摩情況較輕。

綜合分析驅動-密封系統的結構特征和碰摩分解檢查結果可知：碰摩主要發生在銅套右端實心段區域，主要原因是，碰摩產生的高溫使得銅套發熱膨脹，但是其外環被鋼質密封基座限制、無法向外充分膨脹，從而變為向內熱膨脹、擠壓，使得內孔進一步減小、碰摩加劇，最終導致銅套內孔與軸抱死。

2 碰摩振動響應特征分析

2.1 基于時域信號的碰摩過程分析

對于碰摩這類轉-靜子強耦合故障來說，加速度響應能夠反映出更豐富的信息，驅動軸系的加速度傳感器布置在靠近密封基座的艙外軸承座的水平方向，如圖2中所示。

圖4給出了艙外軸承座的水平加速度響應的時程、有效值(均方根-Root Mean Square)、轉速隨時間的變化曲線。由時程曲線及有效值曲線可知：加速度最大單峰值超過3.3 g，有效值則超過1.75 g；振動加速度約在595秒、630秒這兩個時間點先后出現峰值，對應的加速度峰值約為3.51 g、3.57 g，加速度有效值分別為1.43 g、1.78 g，對應的速度分別為10 680 r/min、10 560 r/min；在兩個峰值點之間，振動加速度先迅速下降，單峰值最低降至約0.6 g，而后又快速上升達到第二個振動峰值。

圖4 軸承座振動加速度、轉速圖隨時間變化圖

進一步結合轉速曲線分析，在達到最大轉速10 680 r/min之前，轉速在9 900 r/min處保持了一段時間，此時的振動加速度相對穩定，單峰值不超過1 g、有效值不超過0.5 g，現場也未出現其它異常現象，可以推斷此時系統沒有發生碰摩；在轉速由9 900 r/min 逐步上升到最高轉速10 680 r/min 過程中，振動加速度迅速增大并達到第一個振動峰值，轉軸與密封首次發生碰摩；而后轉速保持在10 680 r/min，振動加速度先迅速下降，其最小值小于9 900 r/min時的振幅，之后又快速上升，并達到第二個振動峰值，發生二次碰摩；此后轉速迅速下降，但轉速在8 000 r/min之前，振動仍然維持在較高水平，單峰值大于2.5 g。結合現場的實際情況：在轉速達到最高10 680 r/min 并保持過程中，發現有煙冒出，并伴有刺鼻的橡膠燃燒的味道，在此之后才迅速控制電機轉速下降。由此可知，在上述2 個振動加速度峰值點處，轉軸與密封銅套均發生碰摩。

基于以上分析，可以推知：轉軸與篦齒密封前后發生2 次碰摩。首次碰摩發生在轉速由9 900 r/min上升至最高轉速10 680 r/min之間，其形式應為非連續的局部碰摩或偏磨，碰摩時銅質密封在轉軸的擠壓作用下內孔變大，使得轉軸與密封脫離接觸，碰摩短暫消失，由于首次碰摩持續時間較短，碰摩產生的局部高溫來不及傳導至整個密封結構，密封銅套來不及膨脹；之后轉速保持在10 680 r/min，在此過程中首次碰摩所產生的局部高溫逐步傳導使得銅套、轉軸劇烈升溫，銅套受熱膨脹，但由于其外環被密封基座限制，無法向外自由膨脹，銅套的熱變形轉為向內膨脹、擠壓，使得密封銅套內孔減小，同時轉軸局部溫升會使軸產生熱彎曲，使得轉軸與密封銅套之間間隙進一步減小，直至再次接觸，產生二次碰摩；二次碰摩的熱效應更加顯著，碰摩形式發展為連續碰摩或是全周碰摩，熱效應使得密封膠圈燒蝕，銅套膨脹與轉軸熱彎曲又使得碰摩加劇，振動進一步惡化，而銅套碰摩位置局部高溫軟化導致部分銅材被擠出到端面，最終使得銅套與轉軸抱死。

2.2 碰摩響應的頻域特征分析

進一步分析碰摩響應的頻率特征，如圖5所示，為振動加速度響應的幅值譜的瀑布圖，采樣頻率為2 048 Hz，取2 048個點分析。

圖5 振動加速度的頻譜瀑布圖

由圖5可知，振動能量主要集中在1X、2X倍頻，此外還有3X、4X倍頻等高倍頻成份，在部分區域還有X/3、2X/3、4X/3、5X/3等分頻成份。

觀察圖5可知，在發生碰摩時，振動加速度的1X、2X倍頻的幅值占主導，圖6進一步提取了1X、2X倍頻幅值及RMS 通頻振幅隨轉速、時間的變化曲線。

圖6 1X、2X倍頻幅值隨轉速的變化圖

從圖6中可知，在轉速小于8 000 r/min 時，1X、2X倍頻幅值均較小，系統振動以大于2X倍頻的高頻成份占主導，但振動有效值不超過0.6 g；在轉速大于8 000 r/min時，1X倍頻振幅與RMS幅值（有效值）相當，并逐漸開始占主導；當發生碰摩時1X、2X倍頻振幅均迅速增大，但1X倍頻要大于2X倍頻，1X倍頻峰值約為1.87 g，2X倍頻峰值約為0.88 g。由此可知碰摩會導致1X、2X倍頻振動增大。

在觀察頻譜瀑布圖時，還發現在550秒以后，部分頻譜譜線中存在小幅值、寬頻帶的“毛刺”現象，明顯有別于其它時段的頻譜譜線，且出現該特征譜線的時段與發生兩次碰摩的時段相對應，為了突出該特征，提取550 秒～680 秒之間的頻譜；另外為消除1X、2X倍頻振幅相對較大造成上述特征不明顯，在頻域里以1X、2X倍轉頻為中心頻率，作半帶寬為5 Hz的帶阻濾波，得到的幅值譜如圖7所示，圖中還標識出了首次碰摩及二次碰摩發生的區域。

圖7 碰摩區域的頻譜瀑布圖

為了進一步明確碰摩的影響，圖8對比給出了升速、降速過程中，相同轉速下（9 900 r/min）無碰摩與有碰摩時振動響應的頻譜。

圖8 同轉速下碰摩-不碰摩響應頻譜對比

觀察圖7、圖8中各條譜線的特征，可以總結如下：

(1)碰摩區域頻譜的譜線特征明顯有別于非碰摩區域的譜線，這種差別可基于加速度響應的頻譜瀑布圖來辨識；

(2)發生碰摩時，加速度響應的頻譜在較寬的頻帶范圍內均具有振動能量，在譜線上特征表現為小振幅、寬頻帶，類似“毛刺”的現象，可解釋為碰摩的沖擊激勵的寬頻特性使得結構的頻率響應也具有較寬的頻帶；

(3)發生碰摩時，在1X轉頻以下，譜線的小振幅、寬頻帶特征更為顯著，且振動能量在零頻、X/3、2X/3 等特征頻率附近更為聚集。需要注意的是，在相同的加速度響應幅值下，相對于高頻，低頻的響應蘊含更多的能量，即碰摩能量更多的在低頻范圍內；

(4)發生碰摩時，1X轉頻的振幅(9 900 r/min-1.43 g)顯著增大，約為不碰摩時振幅(9 900 r/min-0.31 g)的4 倍，表明碰摩會導致1X倍頻振幅顯著增大，其原因一方面是碰摩引起的熱彎曲導致的不平衡效應，另一方面是碰摩的寬頻帶中包含1X倍頻激勵；

(5)發生碰摩時，振動加速度響應的2X、3X倍頻振幅也會有較明顯增大，對比1X倍頻的幅值變化可知，從幅值的上升幅度上看，1X倍頻幅值增量＞2X倍頻幅值增量＞3X倍頻幅值增量，即頻率越高，碰摩引起的幅值上升幅度越小，這是因為碰摩的沖擊能量隨著頻率增加而逐漸衰減。在1X倍頻以上，如1X～4X/3及2X～3X倍頻之間的高頻譜線也存在上述“毛刺”現象，考慮到加速度響應對高頻振動具有“放大”效應，即總體而言，碰摩能量主要分布在低頻范圍；

(6)碰摩的沖擊效應，可能會誘發系統的結構共振。

需要特別說明的是，某型壓氣機在試驗時出現了轉子葉片與易磨層、蜂窩密封刮磨的現象，按照上述方法對其振動加速度響應進行分析，也發現了類似的特征。因此，上述特征及信號處理方法，可以作為工程中判斷系統是否發生碰摩的依據之一，特別是對硬質轉子與較軟質靜子的刮磨。

3 結 語

本文針對工程中實際發生的轉-靜子碰摩問題，根據碰摩部件的結構特征以及碰摩產生的后果，分析碰摩產生過程和原因；重點分析了碰摩的振動加速度信號，提取了碰摩響應在頻域中表現出的關鍵特征，相關分析方法和故障特征，可以為工程中碰摩故障的判定提供支撐。通過分析，總結如下：

(1)碰摩的沖擊效應，會使得振動的加速度頻率響應呈現寬頻帶、小振幅的特征，在頻譜譜線上會出現“毛刺”現象，該特征特別適用于轉子對相對較軟的靜子件（如篦齒、蜂窩密封、易磨層等）的碰摩；此外碰摩的沖擊效應還會激發系統在結構特征頻率的共振。工程中，可以選取適當的振動加速度測點，通過振動響應頻譜的瀑布圖，并做適當放大，對比觀察有、無碰摩時的頻率響應特征來判別；

(2)碰摩會使得振動響應中1X、2X倍頻的振幅顯著上升，熱效應會導致轉子發生熱彎曲，振動響應以1X倍頻占主導，1X倍頻附近的頻帶內的振動能量增大，嚴重碰摩時還會在零頻(0 Hz)及附近出現一定的振動能量；

(3)動靜密封的設計，應特別考慮碰摩發熱所產生的后果，要避免碰摩熱量的積累，并考慮碰摩熱膨脹、熱變形的影響，以及可能帶來的次生故障，并重點關注相配合結構之間的熱變形協調。