[某型发动机主轴承工作监控的探讨]飞机发动机轴承

　　摘要：主轴承故障是某型系列发动机的多发性、危险性故障。针对主轴承所存在的问题，探讨了部队现行的主轴承状态监控的主要措施，就进一步改进某型系列发动机的综合监控措施提出可行性建议。
　　关键词：航空发动机 轴承 状态监控 振动
　　中图分类号：U464.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0089-01
　　某型系列发动机主轴承是指支承发动机高、低压转子转动的轴承，是高、低压转子的主支点，共有6个。主轴承工作环境恶劣，加上发动机设计上的缺陷，导致故障率高、危害性大。为了有效预防轴承故障，目前主要采用滑油监控、轴承“三项值”检查及振动监控等三种监控技术手段。通过对主轴承的监控，部分故障得到了一定的控制，但主轴承失效仍然是危及飞行安全的主要问题。为了保证发动机可靠工作，需要进一步完善主轴承的状态监控措施。本文对部队现行的主轴承监控措施存在的问题进行了分析，并就进一步完善对某型系列发动机主轴承的综合监控措施，提出改进建议。
　　1 主轴承及其故障情况概述
　　某型系列发动机服役部队多年，从部队使用维修情况来看，某些关键部件的质量安全问题非常突出，故障层出不穷。通过梳理该系列发动机在多年的使用和修理过程中暴露的1000多起较大故障，并对主要的多发性、危险性故障进行深入分析，发现该系列发动机所暴露的故障中，由于设计和制造缺陷造成的占绝大多数。目前，直接危及飞行安全的主要问题是发动机主轴承失效。
　　主轴承故障中，三号支点和五号支点轴承故障率高、危害性大，占所有主轴承失效故障的90%以上，是影响发动机使用安全的主要故障。故障原因主要是设计缺陷：一是两大轴承均位于高、低压转子间，工作环境恶劣，承受的负荷也较大；二是润滑系统设计不完善，轴承润滑散热不好。这两大轴承故障属于高危故障，尤其是五号支点轴承故障，可导致高低压涡轮轴抱轴、断裂，引起发动机空中停车，极有可能造成严重飞行事故。
　　发动机主轴承在高温、高速以及复杂的载荷环境下工作，工作环境十分恶劣。由于载荷的复杂性和不确定性，加之润滑条件、装配以及材料、结构尺寸误差等轴承内在的随机性因素，使得发动机主轴承失效模式呈现复合性、多样性。按过去的方法对发动机实行严格的飞行小时数（总循环累积）控制，不能有效避免维护周期内主轴承突然失效问题的发生。因此，从外场飞行的安全性出发，对某型系列发动机主轴承采取相关的综合监控措施，对于改善发动机的经济性、可靠性和安全性具有十分关键的作用。
　　2 现行监控措施及其存在的问题
　　滑油监控、轴承“三项值”检查和飞参振动监控，是目前外场检查发现某型系列发动机主轴承故障的三项主要手段，综合运用三种手段可以监控发动机状态，发现故障征兆，将大部分轴承故障把在地面。但是，目前的技术手段仍然存在很大的局限性。比如，滑油分析和轴承“三项值”检查只能在地面进行，而从部队监控现状来看，轴承故障在很多情况下具有隐蔽性，早期损伤很难发现，在地面检查正常的情况下，也不能排除在空中轴承发生异常的可能性。一旦在空中出现轴承工作异常，飞参振动监控又无法实现对轴承损伤的提前告警，在这种情况下，现有的监控措施就显得无能为力，往往只能等到轴承严重破坏，振动值超限，出现“CO”信号告警，引起发动机空中停车，甚至会导致严重飞行事故。针对上述问题，迫切需要研究空中轴承损伤提前告警的技术措施。
　　3 基于振动分析的主轴承监控措施探讨
　　发动机振动是很复杂的，激振源主要有转子激振源、气动激振源、轴承激振源、齿轮激振源等。机载传感器测量的振动值是发动机转子部件工作状况的综合反映，其限制值主要是保护发动机结构件和外部附件不至于遭受振动破坏，轴承振动信号比较复杂，相对于其它激振源较弱，其监测往往根据特点采用专门的方法进行，因此用振动总量来监控轴承实际上有很大的不确定性。
　　现有的飞参振动监控措施局限性很大，发动机装机工作时用于振动监控的只有一个振动传感器，且只能对振动速度进行监测，加之振动传感器距离主轴承较远，无法直接反映由主轴承损伤导致的振动值增大情况，这使得所得到的振动值的可用性和有效性受到很大影响。为此，根据一些文献中介绍的基于振动分析的滚动轴承故障诊断方法，结合某型系列发动机的特点，提出以下改进措施。
　　3.1 在现有一个振动信号测试点的基础上，增加振动信号测试点的数量
　　选择测试点时，尽量选择能够直接反映轴承损伤状况的、距离3号支点轴承和5号支点轴承较近的位置。这样可以大大增加所测得振动值的可靠性，从而使得根据振动值的变化特点来判断主轴承是否损伤更加有效，且有利于发现轴承的早期损伤。
　　3.2 增加所采用的振动传感器的类型
　　结合国内外研究人员在进行滚动轴承振动分析时广泛选用的振动传感器类型，根据滚动轴承损伤所产生的振动信号特点，可以考虑增加采用振动加速度传感器，这样能够克服只采用振动速度传感器不能全面精确地反映轴承振动特征的缺点。
　　3.3 提高振动传感器的采样频率
　　为了能够对振动信号进行频谱分析，提取出不同频段的振动能量分布情况，从而更有效地对轴承进行故障诊断，需要提高振动传感器的采样频率。同时，为了适应这一改变，需要增加飞参记录器的存储容量，来满足振动信号实时记录的需要。
　　3.4 采用更为先进的振动信号处理与分析算法
　　目前在发动机综合监控实施过程中，对于振动信号只是根据经验观察其表象特征，根据振动曲线上的幅值、尖峰、台阶、渐变等信息来判断轴承工作状况，这种方法具有很大的随意性，实际实施过程中很不严格。为此，可以考虑应用先进的振动信号特征提取和故障诊断技术，利用先进的信号处理算法深入分析轴承振动信号的特点，客观全面地反映轴承的振动特征，从而更为有效地进行轴承故障诊断。
　　4 结语
　　本文提出的上述措施，必将大大提高基于振动分析的主轴承状态监控与故障诊断的有效性。当然，这些措施实施起来并非易事，需要克服的难点和解决的关键技术很多。尤其是在发动机上工作的主轴承发生不同类型的早期损伤以后，将会引起发动机不同部位的振动信号产生怎样的变化，不同的损伤怎样进行区分，目前并不是很清楚。要获得这些信息，必须做大量的试验，根据试验结果做进一步深入的研究。
　　参考文献
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