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航空发动机主轴轴承状态监测研究现状与发展趋势（二）
发布时间：
2023-01-13
来源：
航空动力学报
主轴轴承由于其高载荷、大范围工况变化，从表现出损伤特征到失效的时间较短，因此一旦发现故障征兆，应果断调整运行工况，尽快安排检修。依据传感器监测信号类别的不同，传感器分为振动传感器、声传感器、声发射传感器等。
2 主轴轴承主要状态监测方法
主轴轴承由于其高载荷、大范围工况变化，从表现出损伤特征到失效的时间较短，因此一旦发现故障征兆，应果断调整运行工况，尽快安排检修。依据传感器监测信号类别的不同，传感器分为振动传感器、声传感器、声发射传感器等。
2.1 振动特征监测方法
主轴轴承产生疲劳、磨损等故障时，会产生异常的振动。振动监测方法通过在轴承座或箱体适当方位安装振动传感器采集信号并进行分析得以实现。
振动传感器安装位置受限于发动机结构，通常只在航空发动机的机匣处安装一个振动传感器，且航空发动机系统存在振动传递路径长，频率成分复杂，信号衰减严重等问题，这对振动信号的分析方法提出了较高的要求[34]。
陈果等[35]研究了基于机匣测点信号进行主轴轴承故障诊断的灵敏性问题，当滚动轴承和机匣的连接刚度较小时振动信号会产生很大的衰减，但通过选择合适的方法依旧可以进行较为准确的诊断；张向阳等[36]提出一种基于卷积神经网络的机匣振动信号轴承故障诊断方法，通过试验证明了该方法的有效性。
通过对振动信号计算时域特征、频域特征以及时频域特征参数可以进行诊断[3738]。时域参数包括有效值、方均根值、峰值等有量纲参数及峭度、峰值因数、波形因数、裕度指标等无量纲参数；频域分析法包括功率谱、幅值谱、倒谱、复倒谱、高阶谱和包络谱等；时频方法包括短时傅里叶变换、WignerVille分布[39]、谱峭度[37,40]、小波分析[41]、随机共振[34,42]等。
国内外的学者基于航空发动机主轴轴承的振动信号提出了许多故障诊断方法，通过试验等方法证明其具有较高的实用性与准确性。Zhang等[43]提出一种AMS（alternative minimization solver）CluLR方法，通过航空发动机轴承高速试验证明算法可以准确识别轴承的外圈故障；Wang等[44]提出了一种基于支持向量机的航空发动机高速轴承早期故障定量诊断的方法，可以区分不同故障类型以及同一类型故障的不同程度；廖明夫等[45]发现航空发动机中介轴承振动信号频谱中会产生不随转速变化的倍频“恒间距”特征，通过试验证明该特征可以作为故障诊断的依据。
由于振动信号采集方便，传感器价格相对较低，理论较为成熟等原因，国内外的各种滚动轴承监测系统大多基于振动传感器进行开发。
2.2 声学特征监测方法
本质上，声音是由振动产生并经过介质进行传播的，同样可以反映轴承工作状态，但容易受到噪声干扰。声音信号的分析方法在传感器采集位置距声源较近时和振动信号基本一致，但传感器易受各种杂音干扰，技术难度较高，应用不及振动方法较广。
王雅红等[46]提出一种基于乏信息系统的本征融合技术，通过轴承噪声试验，证明声学监测方法可以有效地采集轴承的特征信号，并可以根据采集数据模拟乏信息研究对象的分布特征，对解决小批量航空轴承的性能评估问题具有重要意义。
声学方法具有携带信息丰富和非接触测量的特点，在某些安装振动传感器存在一定困难的复杂条件下，声学方法具有其良好的优势。
2.3 声发射特征监测方法
声发射传感器的基本原理是收集固体在应力作用下产生的弹性波[47]，在高转速轴承的信号分析中具优势。Liu等[48]通过试验采集了轴承全寿命周期的声发射信号方均根（root mean square，RMS）值，从图3中可以发现轴承在裂纹在萌生、扩展及退化失效阶段会产生较高幅值的冲击；Li等[49]提出一种基于声发射技术的航空轴承故障检测方法，通过试验验证了方法的有效性。
声发射技术是一种动态的无损检测方法，不会对零件造成损伤。这种监测方法的优点在于，传感器不需要外部提供能量，具有较强的环境适应性，对设备的尺寸与负载不敏感，不易受到低频噪声干扰；缺点在于，受到构件材料影响较大，对已经存在但未发生扩展的裂纹无法进行检测，且对数据存储系统与信号分析系统要求较高。
2.4 润滑油特征监测方法
主轴轴承通常都有大流量润滑油循环使用，当出现磨损、疲劳等会产生颗粒进入润滑油。润滑系统中的磨屑质量浓度和颗粒尺寸会随时间变化，如图4所示，根据润滑系统中的磨屑尺寸、质量浓度、形貌、成分可以判断设备是否故障及故障位置。
润滑油监测技术包括理化分析[5053]、光谱分析[54]、铁谱分析[5556]、颗粒计数[57]等。在润滑系统中通常都会安装过滤网，过滤从轴承等元件上脱落的颗粒，保持润滑油的清洁。不同使用环境下的润滑油过滤网具有不同的过滤精度。
民航等发动机系统工况较为平稳且运行时间较长，要求润滑油具有较高的清洁度；战斗机以及导弹等要求非常高的机动性，会产生大量磨屑，如果采用较高的过滤精度则会使大量颗粒被阻拦在过滤网上，容易造成过滤网堵塞。为避免航空发动机突然空中停车，战斗机、导弹的发动机润滑系统常采用较低的过滤精度，但较低的过滤精度可能会导致杂质颗粒进入到滚动接触表面之间加剧磨损。
在轴承运行的过程中可能会由于疲劳、磨损等产生磨屑并进入润滑系统中，润滑油中的颗粒种类及产生原因见表2。通过分析磨屑的质量浓度、尺寸分布、形貌特征可以判断主轴轴承的状态。刘洪涛等[58]提出一种基于雷达图的磨屑轮廓特征表征方法，如图5所示，可以辨别具有相似轮廓弧度的不同磨屑，根据不同分形维数可表达不同轮廓复杂程度的磨屑，简单可靠；王洪伟等[59]针对光谱方法对大尺寸磨屑不敏感、铁谱方法操作复杂等问题，提出了一种基于光学的磨屑监测技术，通过试验验证该方法的有效性。
加拿大GasTOPS公司的MetalSCAN润滑油磨屑监测传感器[6465]已成功应用于F119PW100发动机；美国Eaton公司的QDM磨屑传感器[66]，已成功应用于GE90发动机上；英国Stewart Hughes有限公司的OLS静电润滑油传感器[6769]已成功应用于F100PW100发动机。
2.5 温度特征监测方法
主轴轴承运行过程中温度可达200 ℃以上，接触区局部瞬闪温度可达600 ℃以上，对载荷、转速、润滑状态及打滑等比较敏感。主轴轴承接触表面的温度无法直接测量，通常通过测量其他表面结合温度场计算进行接触表面的温度估计，结合材料性能参数可以大致判断主轴轴承是否会发生热损伤。常用的主轴轴承温度监测的方法主要有热电偶传感器、示温漆，测温晶体等。热电偶传感器安装复杂，示温漆、测温晶体等无法监测温度的变化过程。一些学者提出了一些改进方法，如图6所示。Ebner等[13]在陶瓷盘表面通过离子束溅射方法加工了薄膜铂电阻温度传感器，成功测量了弹流润滑下的接触表面温度，虽然接触表面的传感器会影响温度分布，但相比其他远距离测量方法这种方法的误差要小得多。Seoudi等[76]在润滑油中加入量子点，基于量子点的光致发光原理成功测量了1.3 GPa接触压力下的接触区的温度，结果与理论值较为吻合。
温度监测对预防胶合等热损伤比较有效，但在监测疲劳等损伤时效果较差。因此单一温度监测不适用于主轴轴承的状态监测，温度监测对防止主轴轴承热损伤、研究主轴轴承的热损伤机理具有重要意义。
关键词：主轴轴承、特种轴承
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