蔣 聰，熊 欣，鮑毅超

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210006)

0 引言

某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在調(diào)試時(shí)常因振動(dòng)幅值偏大出現(xiàn)產(chǎn)品異常振動(dòng)的情況，偶爾甚至出現(xiàn)渦輪碰磨的故障現(xiàn)象，需要中止試驗(yàn)、重復(fù)裝配調(diào)試[1]，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品裝調(diào)周期，對(duì)產(chǎn)品的批產(chǎn)交付不利。為此本文旨在找出導(dǎo)致產(chǎn)品振動(dòng)幅值偏大的原因，通過(guò)有效的手段，解決產(chǎn)品裝試問(wèn)題，并提出防范和改進(jìn)措施。

1 空氣渦輪起動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)監(jiān)控

1.1 渦輪碰擦形貌

在正常工作時(shí)，該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)內(nèi)渦輪轉(zhuǎn)速高達(dá)120 000 r/min。作為篩查渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生碰擦故障(如圖1所示)的技術(shù)措施之一，廠內(nèi)調(diào)試過(guò)程中增加了振動(dòng)幅值監(jiān)控手段，用于輔助檢查產(chǎn)品制造質(zhì)量。

圖1 渦輪與導(dǎo)向器殼體發(fā)生碰擦形貌

1.2 振動(dòng)監(jiān)控概況

起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，振源主要在渦輪附近，因此將產(chǎn)品振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在渦輪殼體上端。采用M+P振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[2]，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為：濾波保留200 Hz～2 000 Hz區(qū)間、分辨率0.16 s、采樣頻率25 600 Hz、有效帶寬10 000 Hz、塊尺寸4 096 Hz。較理想的產(chǎn)品振動(dòng)譜如圖2所示。

圖2中出現(xiàn)了前、后兩處尖峰位置，分別表征起動(dòng)加速和停車(chē)減速過(guò)程中渦輪軸通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)幅值，其余時(shí)間段振動(dòng)幅值變化相對(duì)穩(wěn)定[3]。

圖2 起動(dòng)機(jī)時(shí)域-加速度振動(dòng)譜線

1.3 異常振動(dòng)判據(jù)

目前共用3項(xiàng)判據(jù)來(lái)判斷起動(dòng)機(jī)部件異常振動(dòng)：

(1) 過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間(渦輪轉(zhuǎn)速約46 000 r/min～59 000 r/min) 振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于45g，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)加速度大于45g的現(xiàn)象

(2) 到達(dá)切斷轉(zhuǎn)速前，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率振動(dòng)加速度峰值顯著大于30g，并保持上升趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)速下渦輪振動(dòng)加速度大于30g的振動(dòng)現(xiàn)象

(3) 渦輪轉(zhuǎn)速59 000 r/min以下時(shí)振動(dòng)幅值最大值大于25.4 μm(時(shí)域參考上限)，渦輪轉(zhuǎn)速59 000 r/min以上的高速區(qū)振動(dòng)幅值超過(guò)40 μm，如圖5所示。

圖5 振動(dòng)幅值超標(biāo)的振動(dòng)現(xiàn)象

2 故障樹(shù)編制

根據(jù)異常振動(dòng)發(fā)生的3項(xiàng)判據(jù)來(lái)建立故障樹(shù)，如圖6～圖10所示。

圖6 異常振動(dòng)判據(jù)及原因

由故障樹(shù)可知，第(1)項(xiàng)判據(jù)主要與高速轉(zhuǎn)子組件軸系剛度或動(dòng)不平衡量相關(guān)[4]，第(2)項(xiàng)判據(jù)主要與渦輪動(dòng)不平衡量或軸承座軸線不對(duì)中相關(guān)，第(3)項(xiàng)判據(jù)多數(shù)與渦輪殼體組件、環(huán)形齒輪組件以及前后對(duì)接安裝的狀態(tài)相關(guān)，因此造成異常振動(dòng)的原因有6項(xiàng)，分別為：①轉(zhuǎn)子質(zhì)心不在軸線或撓度大； ②轉(zhuǎn)子軸系剛度不足；③軸承精度不足；④渦輪端與安裝端殼體對(duì)接軸線偏差；⑤環(huán)形齒輪軸組件問(wèn)題；⑥渦輪殼體材料問(wèn)題。

圖7 導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)心不在軸線或撓度大的原因

圖8 轉(zhuǎn)子軸系剛度不足的原因

圖9 軸承精度不足的原因

圖10 振動(dòng)幅值超大的原因

3 故障樹(shù)分析及驗(yàn)證

3.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)心不在軸線或撓度大

該型起動(dòng)機(jī)在渦輪動(dòng)平衡時(shí)僅針對(duì)渦輪單體，并未考慮安裝在渦輪軸上的主動(dòng)齒輪部件，主動(dòng)齒輪將會(huì)隨渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此其會(huì)對(duì)渦輪實(shí)際裝配后的平衡量產(chǎn)生影響[5]。

在實(shí)際裝配中該原因得到驗(yàn)證，通過(guò)將渦輪和主動(dòng)齒輪同時(shí)進(jìn)行動(dòng)平衡，可以解決部分批次起動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常的問(wèn)題。

3.2 軸承精度不足

渦輪動(dòng)平衡時(shí)，采用同一通用軸承裝配和拆卸，但拆卸將會(huì)導(dǎo)致軸承工作游隙加大，會(huì)影響渦輪動(dòng)平衡的效果。

針對(duì)這一原因，采取將渦輪與其配套的軸承一同進(jìn)行動(dòng)平衡的方法來(lái)替代原先采用通用軸承的方法。通過(guò)對(duì)比不同渦輪動(dòng)平衡的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)部分渦輪在采用配套軸承后，動(dòng)平衡量值減小，該方法在部分產(chǎn)品的調(diào)試中起到了很好的作用，也證明了通用軸承工作游隙在多次使用后變大，無(wú)法滿(mǎn)足渦輪動(dòng)平衡的需求。

但該方法也容易導(dǎo)致多次拉拔軸承造成配套軸承損壞的問(wèn)題，因此渦輪裝配軸承時(shí)需考慮采用液氮冷卻渦輪軸的方法。

3.3 渦輪端和安裝端殼體對(duì)接軸線偏差的情況

部分異常振動(dòng)產(chǎn)品在分解時(shí)發(fā)現(xiàn)殼體對(duì)接處膠圈損壞，該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因?yàn)閮蓺んw的對(duì)接口圓度不達(dá)標(biāo)，內(nèi)部齒輪部件嚙合出現(xiàn)偏差，尤其在高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品異常振動(dòng)和渦輪殼體振動(dòng)幅值增加。

通過(guò)接口圓度校準(zhǔn)，解決了部分批次起動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪殼體振動(dòng)幅值較大的情況。

3.4 渦輪殼體材料問(wèn)題

目前該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)殼體材料為鎂合金，為了改變渦輪與殼體的共振頻率，將殼體材料改為鋁合金，通過(guò)3個(gè)批次共計(jì)16臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證，采用鋁合金材料的殼體均能較好地避開(kāi)渦輪一階臨界轉(zhuǎn)速的共振工作區(qū)，避免出現(xiàn)異常振動(dòng)的情況發(fā)生。

3.5 轉(zhuǎn)子軸系剛度不足

在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)部分振動(dòng)幅值大的產(chǎn)品在試驗(yàn)前后渦輪端面跳動(dòng)量及位置有較大的變化，該問(wèn)題的發(fā)生一般是渦輪軸緊固螺釘擰緊力矩不足、軸頸配合過(guò)盈量超大等組合因素導(dǎo)致的。由于導(dǎo)致該問(wèn)題發(fā)生的因素很多，目前暫未有足夠多的樣本數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)分析，因此有待后續(xù)深入研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)調(diào)試期間出現(xiàn)的異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析與實(shí)際裝配驗(yàn)證，得出異常振動(dòng)的主要原因，并通過(guò)一系列工程實(shí)際方法優(yōu)化了振動(dòng)特性，提高了產(chǎn)品裝調(diào)成功率，為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了理論和工程經(jīng)驗(yàn)。