航空發動機軸承試驗失效原因分析

趙強，賈志然，高利霞

(中國燃氣渦輪研究院，成都 610500)

主軸軸承作為航空發動機承力傳動系統中的關鍵部件，直接影響著發動機的可靠性、安全性和壽命。為了確保發動機安全可靠地工作，通常需要對軸承進行必要的性能、耐久性和壽命等試驗。

某型航空發動機圓柱滾子軸承在試驗測試過程中反復出現故障，直接影響了軸承的裝機使用。下文針對發動機主軸承試驗的故障零件，從軸承的故障機理、模式及故障原因等方面進行綜合分析，提出了改進措施，并通過試驗驗證了其有效性。

1 失效模式

某型航空發動機4號支點為向心圓柱滾子軸承(圖1)，采用外圈雙擋邊、內圈無擋邊、保持架外引導結構。工作方式為外圈固定、內圈旋轉，潤滑方式為側向噴射供油。為了更好地了解軸承的可靠性，在航空發動機高速高溫專用軸承試驗機上對該軸承進行了性能、耐久性和壽命等考核試驗。試驗機主體結構如圖2所示。

圖1 軸承結構示意圖

圖2 試驗機主體結構

在耐久性試驗過程中軸承溫度升高，振動和聲音等出現異常，此時立即停機，分解檢查試驗軸承發現滾子出現打橫并嚴重磨損，其中1粒滾子直徑上出現沿軸向寬約1 mm的磨損平面，兩側倒角幾乎磨圓(圖3a)；另1粒滾子直徑上出現磨痕和剝落(圖3b)；保持架磨損嚴重、滾子兜孔嚴重變形，并有1處出現斷裂(圖3c)。為查找軸承失效原因，隨后將同型號國外軸承安裝于同一臺試驗機上進行試驗，結果也出現了類似的失效模式。

圖3 滾子和保持架失效形貌

2 失效原因分析

在該試驗機上多次進行的國內、外軸承試驗均出現了滾子打橫現象，故障特征大致相同，故從試驗機試驗方法方面著重對故障進行分析。統計發現，在該試驗機上試驗時滾子出現過打橫現象的軸承均為小型圓柱滾子軸承。試驗軸承滾子尺寸很小，規格為Φ4 mm×4 mm。從試驗機主體結構看，試驗時承載套處于懸浮狀態，無法保證壓頭加載位置恰好位于滾子中間的正上方，實際加載位置偏離軸承中心，這與圖4所示的軸承加載套加載痕跡相吻合。再加上軸向間隙的存在，承載套可軸向自由竄動，且在承載套下方沒有限位措施，使整個承載套在試驗過程中有一個外加的傾斜力矩。試驗時承載套與主軸保持一定的傾斜角。僅考慮軸向間隙影響的情況下，經計算承載套最大傾斜角為1.5°。根據文獻[1]可知，國外發動機公司通常要求滾子軸承內、外圈的同心度控制在0.05°以內。

圖4 承載套上徑向加載痕跡

綜合分析認為，軸承試驗故障可分為如下3個階段：(1)試驗時圓柱滾子軸承一直在內、外圈具有一定夾角的情況下運行，滾子產生傾斜，使滾子端面與外圈擋邊發生不正常接觸而磨損[2]，造成精度喪失、動平衡惡化；(2)外圈擋邊磨損產生的毛刺劃傷了保持架外徑；(3)隨著磨損加重，1粒滾子的2個端面被磨成斜面，軸向傾斜增大，最后形成打橫[3]，滾子外徑表面被內圈磨出1個平面，保持架兜孔被滾子擠壓發生變形直至斷裂，且打橫滾子的磨屑造成相鄰滾子磨損[4-5]。

對試驗軸承分解檢查發現，保持架斷裂位置和方向正好與滾子傾斜后擠壓保持架方向相吻合。

3 改進措施及試驗驗證

綜上所述，軸承試驗故障是由于沒有控制好軸承加載套的偏擺所致。為此提出如下軸承試驗改進措施：

(1) 修改試驗加載方式，使試驗軸承徑向加載位置盡量位于滾子中心，防止被試軸承在試驗過程中出現偏載情況；

(2) 增加承載套的限位措施，改善試驗軸承的工作同心度；

(3) 將1套軸承單獨試驗改為2套軸承同時試驗，以保證試驗時軸承內、外圈工作同心度。

改進后的軸承試驗機主體結構如圖5所示。用改進的試驗機進行試驗，圓柱滾子打橫現象消失，試驗得到正常進行。

圖5 改進的試驗機主體結構

4 結束語

圓柱滾子軸承試驗過程中失效的原因是沒有控制好承載套的偏擺，使滾子發生歪斜，軸承工作同心度未得到充分保證，造成滾子端面與套圈擋邊非正常接觸而產生磨損，動不平衡不斷惡化，導致滾子出現打橫現象。對此，提出了相應的改進措施，并通過試驗驗證了其有效性。