吳偉力，劉亞

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障判別

吳偉力，劉亞

（中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

首先簡(jiǎn)要介紹了某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，然后通過(guò)對(duì)減速器振動(dòng)信號(hào)中的頻率成分及減速器故障的頻譜特征進(jìn)行分析研究，應(yīng)用模態(tài)分析、對(duì)比分析和細(xì)化分析、細(xì)化譜分析及共振解調(diào)技術(shù)等故障診斷方法，對(duì)該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)大、內(nèi)齒圈裂紋、齒輪剝落及主動(dòng)齒輪偏載等典型減速器故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了故障原因，有效消除了減速器故障。本研究可為帶有減速器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷及判別提供重要依據(jù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；減速器；振動(dòng)信號(hào)；故障診斷；模態(tài)分析；共振解調(diào)技術(shù)

1　引言

減速器是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，傳動(dòng)齒輪多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制過(guò)程中容易出現(xiàn)齒輪共振、磨損、斷齒、軸承損壞等諸多故障。另外，減速器運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部零件受力、熱摩擦及磨損等多種作用，運(yùn)行狀態(tài)不斷變化，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器故障進(jìn)行診斷，在發(fā)現(xiàn)減速器早期故障、避免由減速器突然損壞引起重大事故及延長(zhǎng)減速器使用壽命等方面都具有重要意義。

對(duì)于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)監(jiān)測(cè)減速器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際情況，能夠判斷減速器零部件早期損壞引起的非正常運(yùn)行，避免由減速器突然失效而引起的安全隱患。但如何合理選擇、布置振動(dòng)傳感器和測(cè)試儀器，從而對(duì)減速器工作狀況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量、判斷，一直是帶有減速器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷與分析的難點(diǎn)。目前，用于檢測(cè)減速器運(yùn)行狀況的方法很多，其中收集、分析減速器運(yùn)行的振動(dòng)信號(hào)，是診斷減速器故障的重要手段。通過(guò)頻譜分析等方法，可以對(duì)減速器的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)做出判斷，確定故障發(fā)生的原因和環(huán)節(jié)，及時(shí)采取措施消除事故隱患，提高減速器的運(yùn)行可靠性。某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過(guò)程中，發(fā)生的振動(dòng)故障均集中在減速器部分，主要有減速器振動(dòng)大（研制早期）、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子不平衡、減速器輸入主動(dòng)齒輪軸偏載剝落（長(zhǎng)期困擾）、減速器輸入主動(dòng)齒輪軸斷齒、減速器內(nèi)齒圈失效、軸承故障等，本文詳細(xì)介紹了多種故障診斷方法，在渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障診斷和判別中的應(yīng)用。

2　渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及振動(dòng)主要特點(diǎn)［1］

該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括軸流加離心組合壓氣機(jī)、帶離心甩油盤(pán)環(huán)形折流式燃燒室、兩級(jí)燃?xì)鉁u輪、一級(jí)自由渦輪、附件傳動(dòng)裝置、排氣管、體內(nèi)減速器、承力機(jī)匣等。其振動(dòng)主要特點(diǎn)為：

（1）頻率測(cè)量范圍寬。該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)振動(dòng)頻率測(cè)量范圍上至20 kHz，比很多渦軸、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率測(cè)量范圍（相應(yīng)為5～2 000 Hz、65～300 Hz）大很多。

（2）振動(dòng)頻率成分復(fù)雜。振動(dòng)信號(hào)中包含的頻率成分有：燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子頻率，自由渦輪轉(zhuǎn)子頻率，附件傳動(dòng)轉(zhuǎn)子頻率，減速器輸入主動(dòng)齒輪嚙合頻率，減速器中間齒輪頻率，減速器中間齒輪嚙合頻率，螺旋槳槳軸一次波頻率，螺旋槳槳軸三次波頻率，以及這些頻率的諧波頻率。

（3）振動(dòng)限制參數(shù)多樣。振動(dòng)限制參數(shù)有：燃?xì)獍l(fā)生器振動(dòng)限制速度，減速器主動(dòng)齒輪嚙合頻率（最高近20 kHz）和中間齒輪嚙合頻率（最高近4 kHz）振動(dòng)限制加速度（限制值不同），螺旋槳振動(dòng)頻率（低于50 Hz）限制位移。

3　減速器振動(dòng)特征頻率計(jì)算

由于減速器振動(dòng)信號(hào)中的頻率成分相當(dāng)復(fù)雜［2］，這就為準(zhǔn)確診斷發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障帶來(lái)較大難度。該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)動(dòng)件示意圖如圖2所示。

圖1　某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural of the turboprop engine reduction gear

圖2　減速器轉(zhuǎn)動(dòng)件示意圖Fig.2 Diagram of the reduction gear rotating part

減速器轉(zhuǎn)動(dòng)件的特征頻率有：

動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子頻率

以上各式中：NTL為動(dòng)力渦輪輸入轉(zhuǎn)速，Z13、Z14、Z15、Z16分別為齒輪Z13、Z14、Z15、Z16的齒數(shù)，N0為螺旋槳輸入轉(zhuǎn)速。

減速器中，中間齒輪前后支點(diǎn)滾動(dòng)軸承、螺旋槳軸前后支點(diǎn)滾動(dòng)軸承的特征頻率，可根據(jù)各自軸承的參數(shù)計(jì)算得出。

當(dāng)減速器中某齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，譜圖中不會(huì)僅僅包含該齒輪的特征頻率成分，還可能出現(xiàn)某個(gè)或多個(gè)頻率的調(diào)制，邊頻成分明顯。為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)齒輪和軸承的工作狀況，在減速器機(jī)匣外部每個(gè)中間齒輪對(duì)應(yīng)位置布置1個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，分別記為D1、D2、D3，且D1、D2、D3測(cè)點(diǎn)互成120°，如圖2所示。

4　發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障判別及診斷方法［3-4］

主要采用模態(tài)分析、對(duì)比分析和細(xì)化分析、細(xì)化譜分析及共振解調(diào)技術(shù)等診斷方法進(jìn)行判別與診斷。

4.1采用模態(tài)分析技術(shù)［5］診斷減速器振動(dòng)大故障

發(fā)動(dòng)機(jī)研制早期，在進(jìn)行性能試車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)減速器3個(gè)位置的振動(dòng)都很大。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生器為93.5%轉(zhuǎn)速、螺旋槳為95%轉(zhuǎn)速、頻率約為16 kHz時(shí)，D3位置的振動(dòng)值達(dá)412g。為查找原因，將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解檢查，重新裝配后再試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)還是很大。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)中間齒輪輸入端的嚙合頻率在整個(gè)頻譜中都占主要成分，且在某頻率處振動(dòng)最大。隨后，對(duì)中間齒輪進(jìn)行模態(tài)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)中間齒輪的固有頻率分布較廣，振型也很復(fù)雜；另外，還存在某頻率帶節(jié)圓、節(jié)徑之復(fù)合振型，且這一固有頻率與中間齒輪的嚙合頻率重合。因此，分析認(rèn)為減速器振動(dòng)大的原因，是齒輪的嚙合頻率與該齒輪的固有頻率重合，工作時(shí)的激振力引起了共振。

中間齒輪屬薄輪輻結(jié)構(gòu)，減小齒輪振動(dòng)的方法有兩種：一是重新設(shè)計(jì)齒輪使其固有頻率避開(kāi)激振力頻率，二是采用加強(qiáng)幅板剛性或改變阻尼方法來(lái)減振。由于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)周期緊張，沒(méi)有重新設(shè)計(jì)和加工齒輪的周期，因此采用了增加阻尼的方法。具體做法是設(shè)計(jì)1個(gè)阻尼環(huán)，先用高溫膠膠結(jié)在齒輪內(nèi)環(huán)上，再用鉚釘鉚接，這樣既改變了系統(tǒng)的剛性又改變了系統(tǒng)的分布質(zhì)量。鉚接完成后再進(jìn)行測(cè)頻試驗(yàn)，齒輪的固有頻率明顯改變。

采用上述排故措施后，發(fā)動(dòng)機(jī)上臺(tái)試驗(yàn)，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最大振動(dòng)為112g，減速器振動(dòng)大的故障得以排除。此渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)型后，對(duì)該齒輪進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，中間齒輪振動(dòng)大的故障得到徹底排除。

4.2采用對(duì)比分析和細(xì)化分析診斷減速器內(nèi)齒圈裂紋故障［6］

發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行初始維修循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行到756次循環(huán)起動(dòng)到慢車(chē)期間，發(fā)現(xiàn)減速器3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)儀表顯示由最初的（7～8）g慢慢增大到12g，并出現(xiàn)擺動(dòng)。在進(jìn)行到758次循環(huán)試驗(yàn)停車(chē)后，檢查發(fā)現(xiàn)減速器齒堵上出現(xiàn)1個(gè)長(zhǎng)約10 mm、寬約1 mm和3個(gè)長(zhǎng)約5 mm的條狀屑，檢查減速器回油濾，試車(chē)臺(tái)回油濾均正常。對(duì)條狀屑進(jìn)行成分分析，確認(rèn)為齒輪材料，表明減速器內(nèi)部已有齒輪受損。

振動(dòng)出現(xiàn)變化后，將第1次初始維修循環(huán)試驗(yàn)的頻譜（圖3）與758次循環(huán)試驗(yàn)的頻譜（圖4）進(jìn)行對(duì)比，從頻譜圖上查找引起振動(dòng)值發(fā)生變化和擺動(dòng)的頻率成分。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，758次循環(huán)試驗(yàn)的頻譜圖上新出現(xiàn)一段1 200～1 500 Hz的頻率成分，對(duì)其進(jìn)行細(xì)化分析得到譜圖5?？梢?jiàn)，譜圖為1個(gè)以35 Hz為頻率間隔的梳狀譜，盡管每根譜線(xiàn)的幅值不高，但出現(xiàn)的譜線(xiàn)數(shù)很多，符合齒輪故障的典型特征，判斷減速器內(nèi)齒圈出現(xiàn)故障（此狀態(tài)下內(nèi)齒圈對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約2 100 r/min）。

發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)后對(duì)減速器進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)內(nèi)齒圈有1個(gè)輪齒出現(xiàn)穿透性裂紋，長(zhǎng)約16 mm，且表面已掉塊。斷口金相分析表明，故障由偏載引起。

圖3　第1次初始維修循環(huán)試驗(yàn)的頻譜圖Fig.3 Spectrum of the first initial maintenance cycle test

圖4　758次循環(huán)試驗(yàn)的頻譜圖Fig.4 Spectrum of the 758th cycle test

4.3采用細(xì)化譜分析診斷減速器齒輪剝落故障［6］

發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)試過(guò)程中，特別是長(zhǎng)試進(jìn)行到數(shù)百小時(shí)后，測(cè)點(diǎn)D3位置的中間齒輪輸出嚙合頻率（大齒圈嚙合頻率）幅值增大較多，有時(shí)超過(guò)限制值；測(cè)點(diǎn)D1、D2位置的中間齒輪輸出嚙合頻率（大齒圈嚙合頻率）幅值，也隨長(zhǎng)試時(shí)間的增加而增大。圖6為減速器D1、D2、D3測(cè)振位置信號(hào)頻譜圖，譜圖上出現(xiàn)了以中間齒輪嚙合頻率為中心頻率的梳狀成分（D2位置特別明顯）。

對(duì)D1、D2、D3振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行細(xì)化譜分析，結(jié)果如圖7所示。可見(jiàn)，譜圖為1個(gè)以36 Hz為頻率間隔（也包含180 Hz為頻率間隔）的梳狀譜，盡管每根譜線(xiàn)的幅值不高，但出現(xiàn)的譜線(xiàn)數(shù)很多，符合齒輪故障的典型特征，判斷減速器內(nèi)齒圈出現(xiàn)故障（此狀態(tài)下內(nèi)齒圈對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約2 150 r/min）。

圖5　758次循環(huán)試驗(yàn)頻譜圖的細(xì)化譜（1 200～1 500 Hz）Fig.5 Detailed spectrum of the 758th cycle test（1 200～1 500 Hz）

圖6　減速器D1、D2、D3測(cè)振位置信號(hào)頻譜圖Fig.6 Signal spectrum ofD1、D2、D3measuring position of reduction gear

圖7　減速器D1、D2、D3測(cè)振位置信號(hào)細(xì)化譜Fig.7 Detailed spectrum ofD1、D2、D3measuring position of reduction gear

發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查發(fā)現(xiàn)：齒圈內(nèi)齒工作面靠外側(cè)端面存在1個(gè)三角形表面較粗糙區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)局部可見(jiàn)剝落坑，且靠齒頂部位可見(jiàn)1條狀剝落區(qū)（圖8）；中間齒輪輪齒工作面與齒圈內(nèi)齒工作面三角形區(qū)域配合部位嚙合痕跡較重，局部可見(jiàn)剝落坑，且靠齒根部位（與齒圈條狀剝落區(qū)配合）較粗糙，局部可見(jiàn)剝落坑（圖9）。

4.4共振解調(diào)技術(shù)在減速器故障診斷中的應(yīng)用［6］

利用共振解調(diào)故障診斷技術(shù)，能夠識(shí)別復(fù)雜機(jī)械振動(dòng)中由于軸承、齒輪故障和轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件之間碰磨等引起的微小沖擊，進(jìn)而有效地提取這些故障信息，實(shí)現(xiàn)故障診斷和早期預(yù)警。振動(dòng)信號(hào)直接分析與共振解調(diào)分析的對(duì)比如圖10所示。

圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)減速器主動(dòng)齒輪有偏載故障情況下D3測(cè)振位置的共振解調(diào)譜，可見(jiàn)譜圖主要頻率成分為主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)子基頻及諧波，故障頻率特征明顯。圖12為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)減速器中間齒輪后支點(diǎn)軸承外環(huán)故障情況下D1測(cè)振位置的共振解調(diào)譜，可見(jiàn)譜圖主要頻率成分為中間齒輪轉(zhuǎn)子基頻的4.81倍及諧波，為中間齒輪后支點(diǎn)軸承外環(huán)故障頻率，故障頻率特征也很明顯。共振解調(diào)技術(shù)在渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的故障診斷中應(yīng)用相當(dāng)成功。

由于齒輪和滾動(dòng)軸承的早期故障非常輕微，其引起的沖擊脈沖強(qiáng)度非常小，用頻譜分析的方法很難辨別。采用共振解調(diào)技術(shù)能放大（諧振）和分離（帶通濾波）故障特征信號(hào)，極大地提高信噪比，對(duì)齒輪和滾動(dòng)軸承的故障識(shí)別很有幫助。

圖8　減速器內(nèi)齒圈條狀剝落Fig.8 Strip peeling of reduction ring gear

圖9　減速器內(nèi)齒圈剝落坑Fig.9 Peeling pit of reduction ring gear

圖10　振動(dòng)信號(hào)直接分析與共振解調(diào)分析的對(duì)比Fig.10 Comparison diagram between direct analysis and resonance demodulation analysis of vibration signal

圖11　減速器主動(dòng)齒輪有偏載故障的共振解調(diào)譜Fig.11 Resonance demodulation spectrum of reduction driving gear with off-set load failure

圖12　減速器中間齒輪后軸承外環(huán)有故障的共振解調(diào)譜Fig.12 Resonance demodulation spectrum of gear rear bearing outer ring with failure

5　結(jié)束語(yǔ)

減速器是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，傳動(dòng)齒輪多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其振動(dòng)故障類(lèi)別與振動(dòng)故障模式十分繁復(fù)。要做好渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障診斷工作，須從以下幾方面入手：①了解發(fā)動(dòng)機(jī)及減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障診斷的前提；②根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍，計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)件頻率、齒輪嚙合頻率等特征頻率，是準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)頻譜成分的基礎(chǔ)；③合理布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，選擇合適的測(cè)試設(shè)備，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障的準(zhǔn)確診斷大有幫助；④注重振動(dòng)理論知識(shí)和信號(hào)分析方法的積累；⑤認(rèn)真分析和比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是準(zhǔn)確判斷振動(dòng)故障的關(guān)鍵。只有做好以上幾方面準(zhǔn)備工作，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)減速器振動(dòng)故障診斷工作才會(huì)事半功倍。

［1］李其漢.航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度振動(dòng)測(cè)試技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.

［2］張寶誠(chéng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］江龍平，徐可君，隋育松.航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2002，（2）：38—40.

［4］徐敏.設(shè)備故障診斷手冊(cè)——機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

［5］管迪華.模態(tài)分析技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［6］楊毅明.數(shù)字信號(hào)處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Vibration failure identification of the turboprop engine reduction gear

WU Wei-li，LIU Ya
（China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

The structure and characteristics of the reduction gear of a certain type turboprop engine were introduced.By means of analyzing and studying the vibration signal frequencies and spectrum characteristics of the reduction gear,failure diagnosis methods such as mode analysis,comparison analysis,spectrum analysis and resonance demodulation technique were applied to analyze a series of typical failures which occurred on the reduction gear of the turboprop engine,like large vibration,inner ring gear crack,gear peel and drive gear off-set load.The roots were identified and gear failures were eliminated effectively.The research could be significant basis for the vibration failure diagnosis of the aero engines with reduction gear.

aero-engine；reduction gear；vibration signal；fault diagnosis；mode analysis；resonance demodulation technique

V233.1+2

A

1672-2620（2016）03-0020-05

2015-09-20；

2016-01-05

吳偉力（1966-），男，湖南常德人，碩士，自然科學(xué)研究員，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。