某航空发动机主轴承故障振动分析

任帅 陈大力 李胜斌

摘 要：基于某型涡轴发动机的实测振动特征，对该型发动机试验中出现的振动异常进行研究。研究结果表明，异常振动是由保持架碰磨外圈引起，分解检查发现主轴承保持架断裂故障，验证了分析的准确性。

关键词：涡轴发动机;轴承故障;振动分析

主轴承是航空发动机的关键部件，其故障可能导致旋转叶片碰磨折断或转子卡滞，影响飞行安全。受安装空间的限制，中小型航空发动机振动测点一般位于外机匣，使得通过振动数据发现主轴承故障尤为困难[1]。

某型涡轴发动机属中小型航空发动机，在试车台进行到总寿命试验再次起动到地面慢车状态，发动机振动明显增大并超过限制值、金属性报警信号灯亮，发动机立即停车。本文通过对实测振动信号的分析，研究了该发动机振动大以及金属屑报警的原因。研究结果表明，综合运用振动分析方法，能够比较快速准确定位故障，为该型涡轴发动机排故技术支持。

1概述

该型涡轴发动机为双转子发动机，分别为动力涡轮转子（简称Np）和燃气发生器转子（简称Ng）。根据型号研制经验，设置3个机匣振动测点，测点位置及代号如下：

T45——涡轮机匣径向45°;

T315——涡轮机匣径向315°;

Fz——附件机匣垂直。

3个测点都使用高温压电加速度计，该加速度计具有耐高温、频响宽、体积小、抗干扰性强等优点，能适应机匣恶劣的工作环境。测得的加速度信号同时经过软件和硬件分别进行积分和帶通滤波，并行监测发动机振动总量。

2振动数据分析

2.1早期振动特征

该涡轴发动机进行总寿命试验早期，最大连续状态的振动频谱见图1，由图1可得：Np和Ng旋转频率分别为347.9Hz和722.7Hz，转子旋转频率及倍频谱线清晰，无异常振动成分出现，稳态振动总量最大为7.0mm/s。

2.2中后期振动特征

在完成85%总寿命试验以后，该涡轴发动机稳态振动突然增大，稳态振动频谱见图2。由图2可得：Np和Ng旋转频率分别为347.9Hz和725.1Hz，转子旋转频率及倍频谱线清晰，无异常振动出现（178Hz为发电机旋转频率），稳态振动总量达21.5mm/s，相对图1各测点振动总量增幅都超过200%，振动增大由Ng旋转频率增大引起。

2.3后期振动特征

该涡轴发动机后期慢车状态振动瀑布图见图3，最后1次试验振动频谱见图4。

由图3可得：Np和Ng旋转频率分别为261.2Hz和651.9Hz，在255～276Hz以及376～398Hz各出现异常振动峰值，此2频率数值不稳定、数值之和严格等于Ng旋转频率。故认为此振动由Ng转子引起，而255～276Hz与Ng旋转频率之比为0.390～0.423，接近轴承保持架故障特征频率的经验值0.4，Ng转子采用1-1-0的支承方式，怀疑该异常振动由Ng后轴承保持架故障引起。

查发动机设计手册，Ng后轴承为内圈旋转外圈固定的圆柱滚子轴承，主要参数为：节圆直径62.7mm、滚动体直径7mm、滚动体数为18、保持架为外圈引导，可得保持架碰磨轴承外圈故障特征频率[2]为：

基本确定此异常振动Ng后主轴承保持架撞击外圈引导面引起。

由图4可得：Np和Ng旋转频率分别为347.9Hz和705.6Hz，Fz稳态振动总量达65mm/s超过该发动机的振动限制，振动超限由Ng转子基频引起;各测点1409Hz振动幅值都超过10mm/s明显超过图1和图2，说明Ng转子不对中，结合此时发动机金属屑报警，确定Ng主轴承存在保持架故障。

2.4 机理分析

滚动轴承的故障特征计算公式建立在滚子和轴承内环线速度相等的基础上，由于滚子或滚道加工误差等原因，实际工况下内圈和滚子线速度不可能严格相等。下面以振动瀑布图时序分析图4的振动机理：

在t=0.4秒时刻，保持架与外圈引导面发生碰撞出现275.9Hz振动峰值;碰撞逐渐加剧实际的保持架碰撞外圈引导面的频率数值逐渐下降，到t=15.6秒时刻降至268.6Hz;随碰撞的进一步加剧，在t=53.7秒时刻该频率降至最低的255.1Hz，碰撞在接近60秒时刻突然消失，此时燃气发生器后主轴承达到新的稳定工作状态。

3分解检查

由于发动机振动超限并且金属屑报警，该涡轴发动机立刻下台分解，分解检查发现燃气发生器后主轴承保持架外圈引导面磨损严重、保持架出现1处掉块和多处贯穿性纵向裂纹，断裂处的形貌见图5，分解检查结果验证了振动分析的正确性。

4.结论

由于中小型航空发动机工作转速高，轴承工作环境非常恶劣，通过机匣振动来监测轴承的工作状态存在很大困难。本文通过分析某涡轴发动机不同阶段的振动特征，发现燃气发生器后主轴承与保持架碰撞外圈故障特征频率相对应的振动峰值、转子不对中，最终引起振动超限和金属屑报警，据此判断后主轴承保持架碰磨，分解检查结果验证了分析的准确性。

参考文献：

[1] 秦海勤，徐可君，刘忠华，王永旗. 某型航空发动机台架试车异常振动故障诊断[J]. 噪声与诊断控制，2010，4：81-84.

[2] 邓晓亮，任帅. 某多级轴流压气机故障振动分析[J].电子世界，2018，17：83-84.