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航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)（二）

發(fā)布時(shí)間：

2023-01-13

來(lái)源：

航空動(dòng)力學(xué)報(bào)

主軸軸承由于其高載荷、大范圍工況變化，從表現(xiàn)出損傷特征到失效的時(shí)間較短，因此一旦發(fā)現(xiàn)故障征兆，應(yīng)果斷調(diào)整運(yùn)行工況，盡快安排檢修。依據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)類別的不同，傳感器分為振動(dòng)傳感器、聲傳感器、聲發(fā)射傳感器等。

2 主軸軸承主要狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

2.1 振動(dòng)特征監(jiān)測(cè)方法

主軸軸承產(chǎn)生疲勞、磨損等故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法通過(guò)在軸承座或箱體適當(dāng)方位安裝振動(dòng)傳感器采集信號(hào)并進(jìn)行分析得以實(shí)現(xiàn)。

振動(dòng)傳感器安裝位置受限于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，通常只在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣處安裝一個(gè)振動(dòng)傳感器，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)存在振動(dòng)傳遞路徑長(zhǎng)，頻率成分復(fù)雜，信號(hào)衰減嚴(yán)重等問(wèn)題，這對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析方法提出了較高的要求^[34]。

陳果等^[35]研究了基于機(jī)匣測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行主軸軸承故障診斷的靈敏性問(wèn)題，當(dāng)滾動(dòng)軸承和機(jī)匣的連接剛度較小時(shí)振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很大的衰減，但通過(guò)選擇合適的方法依舊可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的診斷；張向陽(yáng)等^[36]提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)匣振動(dòng)信號(hào)軸承故障診斷方法，通過(guò)試驗(yàn)證明了該方法的有效性。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)計(jì)算時(shí)域特征、頻域特征以及時(shí)頻域特征參數(shù)可以進(jìn)行診斷^[37?38]。時(shí)域參數(shù)包括有效值、方均根值、峰值等有量綱參數(shù)及峭度、峰值因數(shù)、波形因數(shù)、裕度指標(biāo)等無(wú)量綱參數(shù)；頻域分析法包括功率譜、幅值譜、倒譜、復(fù)倒譜、高階譜和包絡(luò)譜等；時(shí)頻方法包括短時(shí)傅里葉變換、Wigner?Ville分布^[39]、譜峭度^[37,40]、小波分析^[41]、隨機(jī)共振^[34,42]等。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的振動(dòng)信號(hào)提出了許多故障診斷方法，通過(guò)試驗(yàn)等方法證明其具有較高的實(shí)用性與準(zhǔn)確性。Zhang等^[43]提出一種AMS（alternative minimization solver）?CluLR方法，通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承高速試驗(yàn)證明算法可以準(zhǔn)確識(shí)別軸承的外圈故障；Wang等^[44]提出了一種基于支持向量機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承早期故障定量診斷的方法，可以區(qū)分不同故障類型以及同一類型故障的不同程度；廖明夫等^[45]發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承振動(dòng)信號(hào)頻譜中會(huì)產(chǎn)生不隨轉(zhuǎn)速變化的倍頻“恒間距”特征，通過(guò)試驗(yàn)證明該特征可以作為故障診斷的依據(jù)。

由于振動(dòng)信號(hào)采集方便，傳感器價(jià)格相對(duì)較低，理論較為成熟等原因，國(guó)內(nèi)外的各種滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多基于振動(dòng)傳感器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.2 聲學(xué)特征監(jiān)測(cè)方法

本質(zhì)上，聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)介質(zhì)進(jìn)行傳播的，同樣可以反映軸承工作狀態(tài)，但容易受到噪聲干擾。聲音信號(hào)的分析方法在傳感器采集位置距聲源較近時(shí)和振動(dòng)信號(hào)基本一致，但傳感器易受各種雜音干擾，技術(shù)難度較高，應(yīng)用不及振動(dòng)方法較廣。

王雅紅等^[46]提出一種基于乏信息系統(tǒng)的本征融合技術(shù)，通過(guò)軸承噪聲試驗(yàn)，證明聲學(xué)監(jiān)測(cè)方法可以有效地采集軸承的特征信號(hào)，并可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)模擬乏信息研究對(duì)象的分布特征，對(duì)解決小批量航空軸承的性能評(píng)估問(wèn)題具有重要意義。

聲學(xué)方法具有攜帶信息豐富和非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，在某些安裝振動(dòng)傳感器存在一定困難的復(fù)雜條件下，聲學(xué)方法具有其良好的優(yōu)勢(shì)。

2.3 聲發(fā)射特征監(jiān)測(cè)方法

聲發(fā)射傳感器的基本原理是收集固體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性波^[47]，在高轉(zhuǎn)速軸承的信號(hào)分析中具優(yōu)勢(shì)。Liu等^[48]通過(guò)試驗(yàn)采集了軸承全壽命周期的聲發(fā)射信號(hào)方均根（root mean square，RMS）值，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)軸承在裂紋在萌生、擴(kuò)展及退化失效階段會(huì)產(chǎn)生較高幅值的沖擊；Li等^[49]提出一種基于聲發(fā)射技術(shù)的航空軸承故障檢測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。

聲發(fā)射技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，不會(huì)對(duì)零件造成損傷。這種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器不需要外部提供能量，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)設(shè)備的尺寸與負(fù)載不敏感，不易受到低頻噪聲干擾；缺點(diǎn)在于，受到構(gòu)件材料影響較大，對(duì)已經(jīng)存在但未發(fā)生擴(kuò)展的裂紋無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，且對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)與信號(hào)分析系統(tǒng)要求較高。

2.4 潤(rùn)滑油特征監(jiān)測(cè)方法

主軸軸承通常都有大流量潤(rùn)滑油循環(huán)使用，當(dāng)出現(xiàn)磨損、疲勞等會(huì)產(chǎn)生顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑系統(tǒng)中的磨屑質(zhì)量濃度和顆粒尺寸會(huì)隨時(shí)間變化，如圖4所示，根據(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)中的磨屑尺寸、質(zhì)量濃度、形貌、成分可以判斷設(shè)備是否故障及故障位置。

潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)包括理化分析^[50?53]、光譜分析^[54]、鐵譜分析^[55?56]、顆粒計(jì)數(shù)^[57]等。在潤(rùn)滑系統(tǒng)中通常都會(huì)安裝過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾從軸承等元件上脫落的顆粒，保持潤(rùn)滑油的清潔。不同使用環(huán)境下的潤(rùn)滑油過(guò)濾網(wǎng)具有不同的過(guò)濾精度。

民航等發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工況較為平穩(wěn)且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，要求潤(rùn)滑油具有較高的清潔度；戰(zhàn)斗機(jī)以及導(dǎo)彈等要求非常高的機(jī)動(dòng)性，會(huì)產(chǎn)生大量磨屑，如果采用較高的過(guò)濾精度則會(huì)使大量顆粒被阻攔在過(guò)濾網(wǎng)上，容易造成過(guò)濾網(wǎng)堵塞。為避免航空發(fā)動(dòng)機(jī)突然空中停車，戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)常采用較低的過(guò)濾精度，但較低的過(guò)濾精度可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒進(jìn)入到滾動(dòng)接觸表面之間加劇磨損。

在軸承運(yùn)行的過(guò)程中可能會(huì)由于疲勞、磨損等產(chǎn)生磨屑并進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油中的顆粒種類及產(chǎn)生原因見(jiàn)表2。通過(guò)分析磨屑的質(zhì)量濃度、尺寸分布、形貌特征可以判斷主軸軸承的狀態(tài)。劉洪濤等^[58]提出一種基于雷達(dá)圖的磨屑輪廓特征表征方法，如圖5所示，可以辨別具有相似輪廓弧度的不同磨屑，根據(jù)不同分形維數(shù)可表達(dá)不同輪廓復(fù)雜程度的磨屑，簡(jiǎn)單可靠；王洪偉等^[59]針對(duì)光譜方法對(duì)大尺寸磨屑不敏感、鐵譜方法操作復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種基于光學(xué)的磨屑監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。

加拿大GasTOPS公司的MetalSCAN潤(rùn)滑油磨屑監(jiān)測(cè)傳感器^[64?65]已成功應(yīng)用于F119?PW?100發(fā)動(dòng)機(jī)；美國(guó)Eaton公司的QDM磨屑傳感器^[66]，已成功應(yīng)用于GE90發(fā)動(dòng)機(jī)上；英國(guó)Stewart Hughes有限公司的OLS靜電潤(rùn)滑油傳感器^[67?69]已成功應(yīng)用于F100?PW?100發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.5 溫度特征監(jiān)測(cè)方法

主軸軸承運(yùn)行過(guò)程中溫度可達(dá)200 ℃以上，接觸區(qū)局部瞬閃溫度可達(dá)600 ℃以上，對(duì)載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑狀態(tài)及打滑等比較敏感。主軸軸承接觸表面的溫度無(wú)法直接測(cè)量，通常通過(guò)測(cè)量其他表面結(jié)合溫度場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行接觸表面的溫度估計(jì)，結(jié)合材料性能參數(shù)可以大致判斷主軸軸承是否會(huì)發(fā)生熱損傷。常用的主軸軸承溫度監(jiān)測(cè)的方法主要有熱電偶傳感器、示溫漆，測(cè)溫晶體等。熱電偶傳感器安裝復(fù)雜，示溫漆、測(cè)溫晶體等無(wú)法監(jiān)測(cè)溫度的變化過(guò)程。一些學(xué)者提出了一些改進(jìn)方法，如圖6所示。Ebner等^[13]在陶瓷盤(pán)表面通過(guò)離子束濺射方法加工了薄膜鉑電阻溫度傳感器，成功測(cè)量了彈流潤(rùn)滑下的接觸表面溫度，雖然接觸表面的傳感器會(huì)影響溫度分布，但相比其他遠(yuǎn)距離測(cè)量方法這種方法的誤差要小得多。Seoudi等^[76]在潤(rùn)滑油中加入量子點(diǎn)，基于量子點(diǎn)的光致發(fā)光原理成功測(cè)量了1.3 GPa接觸壓力下的接觸區(qū)的溫度，結(jié)果與理論值較為吻合。

溫度監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)防膠合等熱損傷比較有效，但在監(jiān)測(cè)疲勞等損傷時(shí)效果較差。因此單一溫度監(jiān)測(cè)不適用于主軸軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)對(duì)防止主軸軸承熱損傷、研究主軸軸承的熱損傷機(jī)理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：主軸軸承、特種軸承

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