某型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)故障分析

李小萌 王 京

（中國(guó)航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種長(zhǎng)壽命、高可靠性、高效率和高經(jīng)濟(jì)性的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境惡劣且輔助系統(tǒng)較多，極易產(chǎn)生多種類型的故障[1]。燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過程中，各部件都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此振動(dòng)故障是一種常見的燃?xì)廨啓C(jī)故障形式，也一直是影響燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵因素[2]。燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)的大小直接關(guān)系到其能否在大修期或壽命期內(nèi)安全可靠地運(yùn)行，并直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，造成振動(dòng)的原因很多，因此振動(dòng)的分析及排故一直是燃?xì)廨啓C(jī)研制時(shí)最棘手的問題。

1 某型燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介

某型燃?xì)廨啓C(jī)是一型中檔功率航改燃機(jī)，由燃?xì)獍l(fā)生器、動(dòng)力渦輪、排氣蝸殼以及支撐系統(tǒng)等組成。其中，燃?xì)獍l(fā)生器主要由進(jìn)氣機(jī)匣、5 級(jí)低壓壓氣機(jī)、9 級(jí)高壓壓氣機(jī)、短環(huán)形燃燒室、1 級(jí)高壓渦輪和1 級(jí)低壓渦輪組成。動(dòng)力渦輪接在燃?xì)獍l(fā)生器之后，與燃?xì)獍l(fā)生器為剛性連接，與排氣蝸殼是柔性連接，排氣蝸殼有自身的支撐系統(tǒng)。

燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)測(cè)量位置一共有4 處，包括進(jìn)氣機(jī)匣徑向振動(dòng)、中介機(jī)匣徑向振動(dòng)、渦輪后機(jī)匣徑向振動(dòng)以及動(dòng)力渦輪徑向振動(dòng)，具體振動(dòng)測(cè)量位置如圖1 所示。

圖1 某型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)測(cè)量位置示意圖

2 振動(dòng)現(xiàn)象及分析

2.1 振動(dòng)現(xiàn)象描述

機(jī)組在帶載11100kW 狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（帶載運(yùn)行453h56min），控制系統(tǒng)出現(xiàn)渦輪后機(jī)匣振動(dòng)超限一級(jí)報(bào)警（＞30mm/s），同時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣振動(dòng)有明顯上升趨勢(shì)。約2min 后，動(dòng)力渦輪進(jìn)、出口溫度開始升高，同時(shí)高壓轉(zhuǎn)速也緩慢下降，在隨后的1min 時(shí)間里，轉(zhuǎn)速降低了約50r/min。運(yùn)行人員立即采取減載措施，情況沒有好轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)值、中介機(jī)匣振動(dòng)、渦輪后機(jī)匣振動(dòng)、動(dòng)力渦輪徑向振動(dòng)和后腔回油溫度均超限。為避免情況進(jìn)一步惡化，機(jī)組緊急停機(jī)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

停機(jī)并經(jīng)初步判斷后，現(xiàn)場(chǎng)采取了手動(dòng)盤高低壓轉(zhuǎn)子、接取并送檢滑油性質(zhì)、檢查滑油濾及屑末信號(hào)器以及孔探檢查流道件等措施，檢查情況如下：

對(duì)高、低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行手動(dòng)盤車，2 個(gè)轉(zhuǎn)子均無法轉(zhuǎn)動(dòng)；接取的油樣中，只有后腔回油的油樣顏色呈墨黑色且沉淀后有黑色粉末狀雜質(zhì)，如圖2 所示；檢查金屬屑末報(bào)警器，除動(dòng)力渦輪回油屑末報(bào)警器有少量屑末外，其他未見異常；對(duì)壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪可視部分進(jìn)孔探檢查，未見明顯異常。

圖2 各軸承腔取樣情況

2.3 試車數(shù)據(jù)分析

該次故障停機(jī)后，通過復(fù)查故障時(shí)刻的試車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從該次故障發(fā)生到手動(dòng)緊停的過程中，4 個(gè)振動(dòng)值（進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣、渦輪后機(jī)匣和動(dòng)力渦輪）及后腔回油溫度持續(xù)升高，在其影響下總回油溫度也略有升高。在此期間，滑油系統(tǒng)的滑油供油溫度、前腔和中腔回油溫度、滑油供油壓力、中腔和后腔壓力、回油壓力等溫度、壓力參數(shù)未見明顯異常。動(dòng)力渦輪進(jìn)、出口溫度開始升高，同時(shí)高壓轉(zhuǎn)速也有緩慢下降現(xiàn)象。

分析認(rèn)為是高壓轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大引起的高壓轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)而使主流道空氣流量降低，而燃機(jī)負(fù)載和燃料基本沒有變化。由于參與燃燒的空氣減少，因此燃燒室出口溫度升高，表現(xiàn)為動(dòng)力渦輪進(jìn)、出口溫度的異常升高。

2.4 整機(jī)振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

某型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為50 項(xiàng)，其中振動(dòng)測(cè)量4 項(xiàng)，故障發(fā)生過程中的相關(guān)振動(dòng)參數(shù)報(bào)警情況見表1。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理器、電流轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理及報(bào)警參數(shù)數(shù)據(jù)庫等組成，振動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)信息通道是從傳感器、放大器、數(shù)采直到存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)類型為10Hz～2000Hz 帶寬內(nèi)的振動(dòng)速度總量，采樣速率為50 次/s，控制系統(tǒng)提供振動(dòng)狀態(tài)報(bào)警參考值。

表1 某型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目

振動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)途徑和指標(biāo)觀察，基本上包括了燃機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)故障的頻譜特征范圍。但由于這一頻帶較寬，振動(dòng)響應(yīng)幅值分布不盡相同，結(jié)構(gòu)損傷振動(dòng)響應(yīng)能量貢獻(xiàn)也大小不一，如該次軸承故障開始階段振動(dòng)總量根本體現(xiàn)不出分量的變化。因此現(xiàn)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能監(jiān)測(cè)軸承結(jié)構(gòu)損傷早期的行為，需要進(jìn)一步增加振動(dòng)測(cè)試裝置，建立數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，滿足振動(dòng)寬帶時(shí)域采集、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、寬帶數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和軸承狀態(tài)異常報(bào)警等功能，用以確定整機(jī)、分系統(tǒng)及零部件的狀況，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施監(jiān)控，進(jìn)行趨勢(shì)分析，并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障。

2.5 振動(dòng)現(xiàn)象及分析小結(jié)

上述對(duì)故障時(shí)刻以及前期運(yùn)行存在的異常情況進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)故障表現(xiàn)，該文認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子卡滯、滑油狀態(tài)異常的故障在燃?xì)廨啓C(jī)后軸承腔內(nèi)部。同時(shí)現(xiàn)有振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)處理內(nèi)容中增加信號(hào)時(shí)域和頻域分析，提供能代表軸承故障特征的信息，并將故障程度與量化信息建立關(guān)系，以此來為報(bào)警提供支持。

3 軸承檢查情況

為徹底摸清振動(dòng)故障具體原因及位置，該文對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了分解檢查，重點(diǎn)對(duì)滑油噴嘴進(jìn)行了流量檢查，對(duì)滑油進(jìn)行了顆粒度、理化及能譜分析，對(duì)4 支點(diǎn)軸承進(jìn)行了外觀檢查、尺寸測(cè)量、顆粒物分析和金相分析等，還對(duì)積碳等異物進(jìn)行了能譜分析。

3.1 軸承外觀檢查

4 支點(diǎn)軸承外觀呈黑色，有大量積碳、污物，外圈外徑有明顯的熱變色，內(nèi)圈內(nèi)徑存在微動(dòng)腐蝕。測(cè)量?jī)?nèi)圈內(nèi)徑平均值合格，最大值和最小值超出規(guī)定值范圍，外圈外徑超標(biāo)。從保持架取下一條絲狀物，前側(cè)環(huán)有一處開裂，裂開的開口距離約5mm，裂口附近有2 個(gè)橫梁脫落，裂口處有2 個(gè)滾棒脫落，如圖3 所示。外環(huán)內(nèi)壁有拉絲、積碳、燒結(jié)塊等異?，F(xiàn)象，如圖4 所示，拉絲位置在軸承前端。大部分滾棒圓柱面被磨平，磨平面寬約5mm～6mm。軸承整體磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢。

圖3 4 支點(diǎn)軸承保持架斷口圖

圖4 4 支點(diǎn)軸承外環(huán)內(nèi)壁

3.2 顆粒物分析

為了排查污染顆粒物，該文將軸承清洗后，過濾顆粒物進(jìn)行采樣，并做掃描分析。分析結(jié)果顯示，外來顆粒物主要為剝落的軸承鋼M50 合金鋼和保持架鍍銀、軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體材料，沒有發(fā)現(xiàn)常見的硬質(zhì)污染物顆粒。

3.3 金相檢查

對(duì)內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體進(jìn)行金相檢查。照片顯示內(nèi)圈滾道及滾動(dòng)體表面區(qū)域呈白色，表明滾道區(qū)域發(fā)生了超溫，引起了材料組織的變化。內(nèi)圈滾道發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為0.5mm，外圈滾道發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為0.01mm，滾動(dòng)體表面發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為1mm。

3.4 EDX 分析

對(duì)保持架斷口進(jìn)行EDX 分析。結(jié)果表明，采樣點(diǎn)主要成分是M50 鋼的合金元素和鍍銀層的Ag。

3.5 軸承檢查情況小結(jié)

綜合上述分析，可能性較大的軸承失效原因如下：軸承工作中可能存在打滑現(xiàn)象，且工作溫度較高、潤(rùn)滑油膜較薄。在潤(rùn)滑不良的情況下，可能會(huì)引起滾動(dòng)體和滾道之間的金屬黏著磨損。另外，軸承在高溫工況下，其外圈和軸承座之間出現(xiàn)的間隙會(huì)引起微動(dòng)腐蝕、磨損以及過熱。上述現(xiàn)象可能同時(shí)存在并相互影響，最終導(dǎo)致軸承失效[3]。

4 機(jī)理分析

通過現(xiàn)場(chǎng)情況及分解檢查，確定該次故障為4 支點(diǎn)軸承所引發(fā)。該文以“No.4 軸承故障”為頂事件建立了故障樹模型，進(jìn)行故障溯源分析。根據(jù)“設(shè)計(jì)問題”“軸承存在缺陷”“使用不當(dāng)”3 個(gè)部分對(duì)故障樹的底事件進(jìn)行逐一排查。最終確定有4 項(xiàng)結(jié)果異常，即密封不可靠多塵、噴嘴流量不合格、滑油污染物等級(jí)不合格以及內(nèi)外圈配合不符合要求。

4.1 密封不可靠多塵

實(shí)測(cè)NO.5 密封裝置泄漏率超出設(shè)計(jì)要求，但石墨裝置為接觸式密封，在泄漏率超差情況下，其封嚴(yán)間隙仍優(yōu)于非接觸式篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。復(fù)查以往記錄，存在多次工作一段時(shí)間后泄漏率超差的情況，但軸承無損傷，因此分析認(rèn)為其非故障主因。

4.2 噴嘴流量不合格

高壓渦輪后軸軸承配合面的內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為163.973mm～163.991mm，實(shí)測(cè)前、中、后截面數(shù)值，為前163.985mm，中164.014mm，后164.022mm，中、后2 個(gè)截面內(nèi)徑均超出設(shè)計(jì)要求。軸承外圈外徑設(shè)計(jì)值為164.054mm～164.064mm，實(shí)測(cè)值為164.046mm，超出設(shè)計(jì)要求。軸承外圈與高壓渦輪后軸安裝配合要求為過盈0.063mm～0.091mm，實(shí)測(cè)過盈為前0.061mm，中0.032mm，后0.024mm，前、中、后截面均超出設(shè)計(jì)要求，且已形成傾角。經(jīng)分析認(rèn)為，高壓渦輪后軸的變形是長(zhǎng)期高溫和結(jié)構(gòu)形式引起的熱變形，非故障主因。

4.3 滑油污染物等級(jí)不合格

運(yùn)行結(jié)束后對(duì)供油中的顆粒物按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為8 級(jí)，超出7 級(jí)設(shè)計(jì)要求。經(jīng)分析認(rèn)為，滑油污染物等級(jí)8 級(jí)不足以引起該次軸承故障，其非故障主因。

4.4 內(nèi)外圈配合不符合要求

后腔噴嘴4 支點(diǎn)、5 支點(diǎn)的流量超過設(shè)計(jì)值。經(jīng)復(fù)查，某型燃?xì)廨啓C(jī)在試車時(shí)，為解決渦輪后機(jī)匣滑油泄漏著火問題，進(jìn)行了幾次供油管路改造及試驗(yàn)，最終的供油管路狀態(tài)為管路通徑由12mm 改為8mm，管路長(zhǎng)度增長(zhǎng)，管彎增多，用于滑油流量試驗(yàn)的工裝未真實(shí)模擬實(shí)際工作狀態(tài)，造成實(shí)際流量偏低。在該次故障負(fù)荷狀態(tài)下查詢?cè)囓嚁?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)改造前的供回油溫差約為50℃，改造后的供回油溫差約為85℃。經(jīng)分析認(rèn)為，供油流量低為該次振動(dòng)故障的直接原因。

4.5 機(jī)理分析小結(jié)

由于軸承采用內(nèi)圈環(huán)下供油的方式，軸承外圈比內(nèi)圈溫度高，滑油供油流量低，滑油為軸承降溫的能力不足，因此軸承外圈比內(nèi)圈溫升大，膨脹量更大，游隙也增大，即導(dǎo)致軸承在高載荷時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象。同時(shí)軸承外環(huán)和軸承座配合間隙會(huì)從過盈變成間隙，直至線接觸，這一過程會(huì)使支點(diǎn)支柔度變化不定，進(jìn)而導(dǎo)致高壓振動(dòng)波動(dòng)，加劇了摩擦生熱。在潤(rùn)滑油量長(zhǎng)期不足的情況下，滾動(dòng)體和內(nèi)圈摩擦面會(huì)出現(xiàn)局部變形和撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致黏著磨損并且產(chǎn)生的撕裂物進(jìn)入保持架，造成保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，產(chǎn)生異常載荷，最終導(dǎo)致保持架出現(xiàn)斷裂[4]。

綜合以上分析，造成4 支點(diǎn)軸承故障的原因?yàn)楣┯土髁坎蛔?。?shí)測(cè)4 支點(diǎn)軸承供油量低于設(shè)計(jì)值下限23%，滑油為軸承降溫的能力不足，導(dǎo)致工作狀態(tài)下軸承內(nèi)外圈溫差增大，軸承游隙變大，增加了打滑概率。隨著燃機(jī)負(fù)荷的增加，供回油溫差進(jìn)一步加大，軸承打滑加劇，在長(zhǎng)期潤(rùn)滑不良并存在振動(dòng)波動(dòng)的情況下，滾動(dòng)體與內(nèi)圈滾道間的金屬發(fā)生黏著磨損，最終導(dǎo)致發(fā)生故障。

5 排故措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，該文對(duì)軸承采取如下措施：對(duì)節(jié)流孔板尺寸進(jìn)行調(diào)整，重新匹配滑油供油量，同時(shí)再監(jiān)測(cè)4、5 支點(diǎn)滑油流量，保證軸承得到充足的潤(rùn)滑。同時(shí)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)形成的故障件進(jìn)行修復(fù)或換件，經(jīng)回裝試車后，各項(xiàng)指標(biāo)均正常，故障排除。

該次振動(dòng)故障也暴露了該型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，后續(xù)需要繼續(xù)完善現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)量出的振動(dòng)值出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)判斷振動(dòng)值是機(jī)組真實(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的真實(shí)值，還是因監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在故障而測(cè)出的虛假值[5]。關(guān)于軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)采取如下加強(qiáng)措施：如在油濾系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)金屬屑，應(yīng)分析成分，以排查是否為軸承早期失效產(chǎn)生的碎屑或其他零件損傷產(chǎn)生的碎屑，避免其引起軸承損傷。如果監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)異常，例如回油溫度有持續(xù)升高或振動(dòng)有明顯加大，則須停機(jī)檢查軸承。

6 結(jié)論

改為針對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)故障，首先從振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)的故障現(xiàn)象、現(xiàn)場(chǎng)檢查和試車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推測(cè)出引發(fā)振動(dòng)故障的部位為后軸承腔內(nèi)部，然后進(jìn)一步進(jìn)行分解檢查，確認(rèn)故障源頭為4 支點(diǎn)軸承。列出故障樹，對(duì)引發(fā)4支點(diǎn)軸承故障的底事件進(jìn)行逐項(xiàng)排查和分析，最終確定故障為潤(rùn)滑油量不足所致。對(duì)設(shè)計(jì)尺寸及流量進(jìn)行調(diào)整后，試車恢復(fù)正常，因此排故措施有效。