消除引起某类航空发动机振动两方面外因的措施

张荫鳌　郑明　辛彦秋

摘 要：文章对采用滚动轴承为主支点的燃气涡轮航空发动机主轴承振动损伤的问题进行了研究。从原理上论述了主轴承损伤会引起发动机振动，分析了环境清洁度和无润滑状态磕碰对发动机轴承损伤的影响，介绍了国外民航发动机在这两方面的保护措施，并给出具体建议措施。

关键词：航空发动机；振动；轴承；清洁度；磕碰

前言

采用滚动轴承为主支点的燃气涡轮航空发动机因振动故障分解故检时，有些会发现主轴承损伤的情况。主轴承损伤会引起发动机的振动，而发动机的振动又会使主轴承的损伤进一步加剧，产生恶性循环。除了轴承本身及其环境（发动机承力部件和润滑系统）的设计、制造质量等内在因素外，导致主轴承损伤还有常常被忽视的外在因素——轴承保护不当。通过对国外民航发动机维护修理过程调研分析，笔者认为我们在环境清洁度和防止轴承无润滑状态磕碰两方面仍有许多工作要做。

1 航空发动机轴承工作环境概述

航空发动机转子的载荷通过轴承传递到静子承力机匣上。轴承分为滚棒轴承和滚珠轴承，滚棒轴承只传递径向载荷，而滚珠轴承既传递径向载荷也传递轴向载荷。主轴轴承的分布形式构成了航空发动机基础结构支承方案。图1所示为以CFM56为代表的某一类典型航空发动机结构简图，它包含5个主轴承，2个承力框架（风扇支承和涡轮支承，对应着2个滑油腔/集油池），将其中主轴承的径向力和轴向力传递出来。1号（滚珠轴承）、2号和5号主轴承形成低压转子0-2-1支承方案，3号（滚珠轴承）和4号主轴承形成高压转子1-0-1支承方案，4号主轴承（中介轴承）将高压转子后支点支撑在低压转子上。1、2和3号主轴承位于前滑油腔（集油池）；4号和5号主轴承位于后滑油腔（集油池）。

目前，常规航空发动机上的轴承仍是以滚动轴承为主，工作时高速转动。尤其是主轴轴承，无论是滚珠还是滚棒轴承工作时都是在重载荷下高速旋转。因此，航空发动机轴承是非常精密的，工作时不但要有充分的润滑，而且润滑剂必须优质清洁。一旦有杂质进入轴承，工作時就很可能造成轴承损伤，进而引起发动机振动。

当然航空发动机除了主轴轴承外，还有许多其他传动系统轴承，通常大部分轴承是处于相通的主润滑系统中。转子（多数是高压转子）通过传动系统带动增压泵、回油泵和通风器等附件驱动滑油在润滑系统中循环工作。润滑系统中的油滤虽然可以极大地减少杂质污染到轴承，但是无法完全避免，因为随着油滤精细度增加，流阻也相应增大，到一定程度就会影响润滑效果，因此油滤精细度受到流阻的制约。由于润滑系统是相通的，任何部位出现污染，微小颗粒就可能会污染整个润滑系统。此外，油滤后端轴承润滑腔初始清洁度的严格控制，也是轴承可靠工作的必要条件。

2 保持环境清洁度方面的措施

保证航空发动机润滑系统清洁度，主要是通过控制航空发动机修理或装配环境清洁度来实现。因此，航空发动机修理或装配都使用封闭空调厂房。

国内航空发动机装配修理采用的封闭空调厂房，环境基本是清洁的，但程度不够。尤其在北方难于抵御较大的风沙或扬沙天气，人员或物品进出厂房及门窗缝隙都可能会使沙尘进入。保持厂房内气压略高于外部环境压力并在门口使用气幕将有效防止沙尘进入厂房。

对于发动机装配或修理过程中会产生硬质颗粒污染的工序还要进行物理隔离。轴承故捡测量工序需设置专用无尘恒温间，在门口设置更衣风淋室，只有专业检验人员允许进入。风淋室一侧具有吹风装置，另一侧安装吸尘装置，专业检验人员先进入风淋室脱掉外衣和鞋，再换上专用清洁外衣和鞋才能进入检测室。这样不仅可以避免沙尘或硬质颗粒污染到轴承，还能有效降低轴承磁化和磕碰的风险。

3 防止轴承无润滑状态磕碰方面的措施

如前所述，航空发动机主轴轴承是处于重载荷下高速旋转的工作状态，工作时需要进行充分的润滑。而润滑系统的运转是通过传动系统由发动机转子驱动的。轴承装配后，只要发动机不工作，润滑系统也就不起作用，此时轴承得不到滑油的保护。在轴承没有滑油保护的情况下，由于转子很重，在后续的装配翻转、周转及运输时产生的振动都会使内外圈和滚子发生硬性磕碰的可能，从而导致微小非工作损伤。发动机工作时，重载荷下高速旋转的工作状态则会使轴承这种微小的损伤迅速加剧，造成厂内试车或外场使用时发动机振动过大、短时间内轴承损伤的故障。曾有发动机出现厂内试车或外场使用短时间内主轴承损伤的故障，这种现象很可能与轴承装配后发生了无润滑状态磕碰损伤有关。

为了避免轴承在无润滑状态下磕碰损伤的发生，国外民航发动机在装配或修理时，针对发动机整机或装配有主轴承转子的部件采取了如下一系列措施：

3.1 工艺控制翻转次数和幅度

一般只允许核心机从竖直装配状态转90度至水平装配状态的一次翻转，在水平状态核心机与风扇及低压涡轮对接，再安装附件、管路等外部机件至完成整机装配。风扇单元体始终处于水平状态装配。

3.2 厂内运输要求

厂内运输要求首先是路面平滑。如果运输车没有减振措施，则需要尽量慢的移动，一般不要高于0.8千米/小时；如果运输车具有弹性支承、振动吸收装置、充气或弹性材料轮胎，则运输速度可适当提高，一般也不要高于4.8千米/小时。

某种民航发动机常用运输车（也可作为运输托架）具有减振装置，带有供叉车搬运的插孔，当4个可折起的轮子折起后，可作为运输托架使用，并带有绳索固定环。也可使用叉车通过这种托架将发动机从装配厂房运到试车厂房。

3.3 远距离陆路运输

禁止铁路运输。为避免发动机损伤，公路运输必须使用具备气囊减振的卡车，并按要求固定托架。如果使用了不带气囊减振的卡车运输，必须将发动机返厂分解，进行针对轴承损伤的检查。

4 建议措施

4.1 环境清洁度方面

在装配厂房建设或改造时，使厂房内气压略高于环境压力，并在大门口设置气幕，轴承检测间门口设置更衣风淋室。

4.2 轴承无润滑状态磕碰方面

（1）研究全部航空发动机和燃气轮机的厂外运输使用气囊减振卡车或包装箱增加减振装置的可行性。（2）装配有主轴承的部件或整机翻转、周转、运输和使用吊车时要缓慢平稳，不可出现冲击力。必经道路（如装配车间到试车台）要平滑。参照民航发动机运输要求建立相关要求。（3）完善工艺，减少有主轴承的部件或单元体装配翻转次数。（4）与客户沟通，将发动机周转、运输和使用吊车相应要求贯彻到外场，并监控执行。相信这些措施能有效地减少由于轴承保护不善引起的厂内外航空发动机轴承故障及相应的振动故障，降低发动机返厂率，提高试车合格率。