基于振動(dòng)分析的直升機(jī)主減速器滾動(dòng)軸承故障診斷

王傳奇，徐童童， 馮 磊

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室；2.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，哈爾濱 150066）

基于振動(dòng)分析的直升機(jī)主減速器滾動(dòng)軸承故障診斷

王傳奇1，徐童童2， 馮 磊2

（1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室；2.哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，哈爾濱 150066）

對(duì)于直升機(jī)主減速器，滾動(dòng)軸承故障診斷意義重大，振動(dòng)分析是診斷滾動(dòng)軸承故障最有效的手段。本文從軸承特征頻譜理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)滾動(dòng)軸承故障特征及檢測(cè)方法進(jìn)行了分析。

滾動(dòng)軸承；故障診斷；振動(dòng)分析

0 引言

直升機(jī)主減速器是直升機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，是直升機(jī)的核心。而滾動(dòng)軸承是主減速器最關(guān)鍵的部件之一，它起著承受載荷和傳遞動(dòng)力的作用，其運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響主減速器的性能，滾動(dòng)軸的地位獨(dú)特而重要，從而決定了滾動(dòng)軸承一旦出現(xiàn)故障，必然導(dǎo)致主減速器，甚至是直升機(jī)癱瘓。因此對(duì)直升機(jī)主減速器滾動(dòng)軸承實(shí)施狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷有著重要的意義。其中，振動(dòng)分析法以其在診斷過程中運(yùn)用范圍廣，且可適用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì).被認(rèn)為是評(píng)估軸承運(yùn)行狀態(tài)最廣泛應(yīng)用的一種方法。

1 滾動(dòng)軸承故障機(jī)理分析

1.1 滾動(dòng)軸承振動(dòng)機(jī)理

滾動(dòng)軸承在直升機(jī)主減速器中的運(yùn)行：滾動(dòng)軸的外圈與軸承座或機(jī)匣殼體連接，相對(duì)固定；內(nèi)圈與軸相連，在工作中隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。能夠引起滾動(dòng)軸承力學(xué)模型平衡狀態(tài)發(fā)生變化的外界機(jī)理和內(nèi)部變化都會(huì)造成滾動(dòng)軸承產(chǎn)生振動(dòng)，一次造成軸承振動(dòng)的原因很多，概括起來可以分為兩方面，其一為內(nèi)部因素，包括軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工及裝配誤差、運(yùn)行中軸承自身零部件產(chǎn)生的故障等；其二為外部因素，包括軸上其它零部件傳遞過來的運(yùn)動(dòng)和力等。當(dāng)軸在一定的載荷作用下，以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)外圈和軸承座/機(jī)匣殼體組成的振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)，在多種因素作用下使該系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)響應(yīng)。

1.2 滾動(dòng)軸承的固有頻率和故障特征頻率

1.2.1 固有頻率

滾動(dòng)軸承的固有頻率只與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，但可分為多階固有頻率。鋼材質(zhì)的軸承圈在自由狀態(tài)下的徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率計(jì)算公式如下：

（b）軸承內(nèi)、外圈的固有頻率：

式中，r為滾動(dòng)體半徑，p為材料密度，E為彈性模量，n為固有頻率的階次，I為套圈截面繞中性軸的慣性矩，r為回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑，M為單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。

1.2.2 故障特征頻率

滾動(dòng)軸承在回轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)是隨機(jī)的，含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征固有頻率。故障特征頻率根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算如下：

2 滾動(dòng)軸承的故障診斷方法

2.1 簡(jiǎn)易診斷法

2.1.1 振幅值診斷法

振幅值指峰值Xp、平均值X。峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300rpm以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。從參數(shù)的選取上來講，一般的檢測(cè)儀器的峰值測(cè)量都采用加速度峰值。

2.1.2 波形指標(biāo)診斷法

波形指標(biāo)為峰值與均值之比（Xp/X）。該值用于滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)易診斷的有效指標(biāo)之一。當(dāng)Xp/X過大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕，而Xp/X值過小時(shí)，則有可能發(fā)生了磨損。

2.1.3 峰值指標(biāo)診斷法

峰值指標(biāo)為峰值與均方根值之比（Xp/XRMS）。該值用于點(diǎn)蝕類故障的診斷，通過對(duì)峰值指標(biāo)隨時(shí)間變化趨勢(shì)的檢測(cè)，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反應(yīng)故障的發(fā)展變化趨勢(shì)。當(dāng)滾動(dòng)軸承無故障時(shí)，峰值指標(biāo)為一個(gè)較小的穩(wěn)定值，一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，振動(dòng)峰值明顯增大，但此時(shí)均方根值尚無明顯的增大，故Xp/XRMS增大；故當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐漸達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，Xp/XRMS逐步減小，直至恢復(fù)到無故障的大小。

2.2 精密診斷法

包絡(luò)解調(diào)分析法屬精密診斷方法。許多故障的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)為幅度調(diào)制，而調(diào)制信號(hào)即包絡(luò)線多為故障信號(hào)，包絡(luò)解調(diào)就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分離提取出包絡(luò)信號(hào)，再分析它的特征頻率和幅值。就能準(zhǔn)確可靠地診斷出軸承的疲勞剝落。對(duì)于滾動(dòng)軸承的診斷是將由加速度傳感器獲得的加速度信號(hào)經(jīng)過1KHz的高通濾波器去除低頻信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)處理，將調(diào)制信號(hào)移至低頻，最后進(jìn)行頻譜分析，以找出信號(hào)的特征頻率。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 實(shí)例簡(jiǎn)介

某型直升機(jī)主減速器在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速20900r/min，最大功率850kW，運(yùn)行狀態(tài)良好。但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到362小時(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)左側(cè)輸入級(jí)振動(dòng)突然變大，此處采用加速度傳感器（型號(hào)：Wave Book），主減速器輸入級(jí)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3.2 故障診斷

3.2.1 特征頻率計(jì)算

輸入級(jí)雙排球軸承的參數(shù)如表1所示。

表1

由1.2.2節(jié)中的相關(guān)公式計(jì)算輸入級(jí)雙排球軸承特征頻率結(jié)果如表2所示。

表2

3.2.2 診斷分析

試驗(yàn)過程中，振動(dòng)信號(hào)通過主減速器輸入級(jí)的徑向部位傳感器采集，主要反饋主減速器輸入級(jí)各部件在試驗(yàn)中的運(yùn)行情況。圖2～4顯示試驗(yàn)從40到200小時(shí)，主減速器輸入級(jí)雙排球軸承的振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)圖譜，從圖中可以看出，所有涉及到雙排球軸承特征頻率的振動(dòng)值均不超限。圖5顯示試驗(yàn)進(jìn)行到362小時(shí)，雙排球軸承的振動(dòng)波形圖，從圖中可以看出，在2580Hz處有一個(gè)較突出的峰值，該頻率與列1軸承外圈的特征頻率2582.3Hz基本一致，振動(dòng)值達(dá)到3.5g，通過該振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)圖譜可以看出，雙排球軸承外圈在該時(shí)間點(diǎn)已出現(xiàn)故障。

為了確認(rèn)軸承外圈故障發(fā)生的具體時(shí)間，將外圈特征頻率與時(shí)間關(guān)系建立坐標(biāo)系。如圖6所示，從圖中不難看出，試驗(yàn)的前320小時(shí)，外圈的振動(dòng)值維持在1g以下，未發(fā)生突變，表明軸承外圈工作正常，未發(fā)生異常情況。在試驗(yàn)進(jìn)行到330小時(shí)至360小時(shí)期間，外圈的振動(dòng)值發(fā)生變化，逐漸增大，最后達(dá)到1.5g以上，說明該階段為軸承外圈剝落故障起始及拓展階段。在試驗(yàn)進(jìn)行到362小時(shí)后，外圈的振動(dòng)值顯著增加，發(fā)生突變，最大振動(dòng)值達(dá)到3.5g，說明在362小時(shí)之后，外圈已經(jīng)徹底發(fā)生剝落故障，軸承接觸表面凹凸不平導(dǎo)致振動(dòng)增大。

將主減速器分解后，檢查發(fā)現(xiàn)軸承外圈滾道出現(xiàn)疲勞剝落，這也驗(yàn)證了加速度包絡(luò)分析的有效性。

4 結(jié)論

振動(dòng)信號(hào)是滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的主要反應(yīng)形式之一，也是對(duì)滾動(dòng)軸承實(shí)施檢測(cè)和故障診斷的最主要的分析對(duì)象。本文利用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，通過特征集進(jìn)行識(shí)別和分析判斷滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)，早期識(shí)別滾動(dòng)軸承各元件故障情況，避免更大的損失。

［1］盛兆順，尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［J］.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.188