某航空發(fā)動機止推軸承故障分析

黃宇生，黃玉凌，王欣欣，舒 毅

(1.長沙航空職業(yè)技術學院 航空機電設備維修學院，長沙 410124；2.中國人民解放軍第四七二三工廠，河北 邯鄲 311826)

0 引言

軸承是發(fā)動機的重要旋轉部件，起著支撐和傳動的作用[1]。軸承的工作環(huán)境惡劣，故障類型多，危害性較大[2]，常見的故障有滾道磨損、滾道劃傷、滾動體剝落、保持架開裂、斷裂等[3]。軸承故障影響發(fā)動機的壽命、工作安全性和可靠性，輕則導致發(fā)動機報軸、斷軸，產生嚴重振動，重則導致發(fā)動機空中停車，甚至引發(fā)飛行事故[4-7]。導致軸承失效的因素復雜多變，由于工作環(huán)境和失效程度的差異，產生的失效形式影響各不相同[8-9]。

因此，在航空發(fā)動機維修過程中，開展軸承的故障診斷與分析研究，統(tǒng)計軸承發(fā)生的各類故障[10]，有效地分析各種故障產生的原因，針對性地提出預防和工藝改進措施，建立軸承修理數(shù)據(jù)庫，對軸承的快速有效維修、提高發(fā)動機修理質量、降低修理成本和縮短發(fā)動機修理周期，以及保證發(fā)動機的安全和可靠運行具有重要意義[11]。本文從某型航空發(fā)動機止推軸承的外觀檢查、尺寸測量、裝配工藝和理化檢測等入手，分析了故障的產生機理和原因，提出了相應的預防和改進措施。

1 故障情況

某型發(fā)動機外廠滑油光譜檢查時，發(fā)現(xiàn)Fe元素、Cr元素超標，實測Fe元素含量20.4ppm(告警值7.8ppm)，Cr元素含量1.7ppm(告警值1.3ppm)。但磁性金屬檢屑器上僅有少量金屬屑，未見明顯異常。分解高壓滑油濾，用煤油清洗油濾后，使用吸鐵棒從清洗的煤油中吸附出大量金屬屑。由于影響了發(fā)動機的正常使用，發(fā)動機返廠排故。

分解發(fā)動機低壓轉子和高壓轉子，發(fā)現(xiàn)低壓轉子軸軸承輔助列保持架磨損、裂開和掉塊，如圖1和圖2所示。滾動體磨損和剝落，如圖3所示。軸承腔內有大量金屬屑積聚，并在空氣管內腔存在大量細末狀金屬屑。其它軸承外觀未發(fā)現(xiàn)異常。

圖1 輔助列內滾道損傷

圖2 輔助列保持架裂開及掉塊

圖3 滾動體剝落

將高速齒箱、低速齒箱、輔助齒箱、內齒箱、主滑油泵、前軸承滑油泵分解至零組件狀態(tài)，均未見異常。分別收集故障軸承、故障軸承附近零件、高壓滑油濾殼體和濾芯上的金屬屑，送理化中心進行理化分析。分析結果表明，金屬屑主量元素成分近似軸承鋼材料Cr4M04V。通過檢查發(fā)動機維修記錄，發(fā)動機發(fā)生故障前的大修無軸承修理記錄，定檢無異常，故障發(fā)生時發(fā)動機的剩余壽命占本次壽命期約20%。

2 軸承故障分析與討論

2.1 軸承結構分析

某型發(fā)動機低壓轉子軸為止推滾珠軸承，軸承分主列和輔助列。主列和輔助列共用一個內圈，軸承的內圈壓裝在中介軸上，并用花鍵螺母1和杯形墊圈固定在軸上。外圈壓裝在高壓轉子后軸的內圓柱面上，輔助列在前。主列在后，輔助列前有調整墊圈，墊圈前為預緊彈簧，在裝配時通過控制花鍵螺母2的裝配力矩，使預緊彈簧發(fā)生壓縮變形，給軸承輔助列提供一個幾千牛頓的軸向預緊力，軸向預緊力通過輔助列傳遞到主列，從而預防軸承主列輕載打滑，減小內圈、外圈、滾珠和保持架產生磨損，如圖4所示。

圖4 軸承結構原理圖

*注：1.花鍵螺母；2.花鍵螺母；3.預緊彈簧；4.調整墊圈；5.高壓后軸；6.導管；7.輔助列軸承；8.主列軸承；9.中介軸

2.2 受力分析

發(fā)動機高壓轉速低于83%時，此時發(fā)動機的軸向力方向為向前，即故障軸承主列受到向前的力作用，使得軸承輔助列同樣受一個向前的作用力，而為了保持故障軸承主列一直存在一個向后的力作用，預緊彈簧提供的預緊軸向力應比轉子的軸向力大，確保故障軸承的主列受到向后的力作用，此時預緊彈簧處于最大壓縮狀態(tài)。發(fā)動機高壓轉速高于83%時，此時發(fā)動機的軸向力方向為向后，即故障軸承主列受到向后的作用力。此時預緊彈簧提供的預緊軸向力最小，預緊彈簧處于最小壓縮狀態(tài)。

2.3 尺寸檢測

2.3.1 配合尺寸

測量軸承輔助列內圈、外圈與中介軸的配合尺寸、調整墊圈和預緊彈簧尺寸。由于輔助列滾子及內外滾道表面磨損比較嚴重，無法準確計量，未測量滾子實際尺寸及軸承實際游隙值。檢測尺寸數(shù)據(jù)見表1、表2，由復測尺寸可以看出，故障主軸承的主列及輔助列直徑尺寸存在不同程度的超差，最大超差項為內圈內徑超0.021mm。根據(jù)故障軸承與中介軸承的配合尺寸數(shù)據(jù)，內圈內徑與中介軸的配合尺寸符合要求，內圈內徑尺寸超差不影響軸承的正常使用。

表1 故障軸承尺寸測量情況

表2 故障軸承與中介軸承配合尺寸檢測情況

2.3.2 預緊彈簧尺寸檢測

重新測量預緊彈簧的翹曲度及高度值，如表3所示。

表4統(tǒng)計了9臺維修的發(fā)動機預緊彈簧翹曲度、高度值變化情況。由表4可知，預緊彈簧隨著發(fā)動機的使用，性能均存在不同程度的變化。其中約33%的變化量為負(預緊彈簧翹曲度變小，性能變好)，變化范圍為-0.17～0mm；有約67%的變化量為正(預緊彈簧翹曲度變大，性能變差)，變化范圍為0～+0.21mm。因此預緊彈簧的翹曲度隨著發(fā)動機使用時間變化無固定規(guī)律；而以上統(tǒng)計的預緊彈簧高度值均符合設計圖紙要求，且未發(fā)生過故障軸承輔助列剝落故障。

表3 預緊彈簧測量數(shù)值表

表4 大修及排故發(fā)動機預緊彈簧翹曲度及自由高度值變化表

表5對比了同樣出現(xiàn)軸承輔助列剝落故障的發(fā)動機預緊彈簧尺寸情況。從數(shù)據(jù)可知，兩臺出現(xiàn)故障軸承輔助列剝落故障的預緊彈簧翹曲度變化量相當，且兩臺預緊彈簧均存在尺寸變小的情況。由此可以推斷，在預緊彈簧高度值滿足要求的情況下，預緊彈簧翹曲度發(fā)生變化不能構成導致軸承腔出現(xiàn)大量金屬屑故障的充分理由。

2.4 宏觀檢查

2.4.1 主列檢查情況

軸承主列內圈顏色發(fā)烏，主列外圈及滾珠顏色較光亮，無異常。主列保持架內側邊，圓周呈黑色，表面有摩擦擠壓痕跡，兜孔表面有一定程度的摩擦擠壓痕跡。

2.4.2 輔助列檢查情況

圖5 外圈剝落爬坡局部形貌

圖6 內圈剝落局部形貌

圖7 滾動體變形

軸承輔助列外圈滾道圓周有爬坡現(xiàn)象，爬坡部位呈摩擦擠壓特征，滾道邊卷邊，如圖5所示。輔助列內圈滾道一側邊沿圓周局部有剝落，滾道上有周向劃痕，如圖6所示。輔助列滾珠磨損變形，部分滾珠磨損呈錐形，該類磨損形態(tài)系滾珠輕載打滑所致，如圖7所示。

2.4.3 調整墊圈檢查情況

軸承調整墊圈表面有一道沿圓周一周的損傷溝痕及磨損痕跡，通過體視鏡放大觀察，系摩擦擠壓損傷。

2.4.4 預緊彈簧檢查情況

兩預緊彈簧墊圈中心孔附近配合面有沿圓周溝痕；外圓配合面有沿圓周溝痕，溝痕均為摩擦擠壓痕跡。

2.5 故障軸承理化分析常規(guī)檢查

2.5.1 硬度分析

檢測故障軸承組件套圈及滾珠硬度，內圈硬度為61.2HRC，外圈硬度為60.8HRC，輔助列滾珠硬度為61.3HRC。JB/2850—2007要求是套圈60～65HRC、鋼球61～66HRC，均符合國軍標要求。

2.5.2 金相分析

分解故障軸承組件，沿軸向取金相樣本，制備后金相顯微觀察。軸承輔助列滾珠表面有白層，結合滾珠磨損情況判斷，滾珠表面白層系摩擦造成的燒傷；滾珠基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求。套圈內圈基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求；內圈表面未見燒傷。軸承輔助列外圈基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求；外圈表面未見燒傷，但存在局部塑性變形及摩擦擠壓形成的折疊。

2.5.3 顯微分析

圖8 輔助列外圈滾道表面損傷

圖9 輔助列內圈滾道表面剝落

圖10 主列內圈滾道剝落與劃痕

軸承輔助列外圈滾道沿圓周有爬坡現(xiàn)象，表面呈鱗片狀的摩擦擠壓形貌，有沿軸向的小裂紋、擠壓折疊和剝落等損傷痕跡，如圖8所示。軸承輔助列內圈滾道邊圓周局部有片狀剝落，剝落形成小凹坑，坑內呈摩擦擠壓形貌，坑邊有小裂紋，滾道沿圓周有明顯的劃痕，如圖9所示。軸承主列內圈滾道表面有顯微剝落，剝落形成小麻坑，局部有沿圓周劃痕，如圖10所示。

經(jīng)上述掃描電鏡顯微觀察，軸承輔助列套圈滾道剝落屬起源于表面的滾動接觸疲勞剝落，軸承主列內圈滾道剝落屬于顯微剝落。

2.5.4 保持架斷口分析

將保持架掉塊斷口放入掃描電鏡顯微觀察，疲勞源區(qū)位于保持架內側表面兜孔邊，表面起始、點源、源區(qū)有毛邊及碰磨痕跡，未見材料及冶金缺陷。疲勞區(qū)平坦，擴展充分，可見疲勞條帶特征及疲勞弧線特征，瞬斷區(qū)較小，約占斷口面積的1/8，顯微形貌為韌窩特征。保持架斷口形貌如圖11～圖16所示。

圖11 保持架斷口形貌

圖12 保持架斷口源區(qū)顯微形貌

圖13 擴展區(qū)疲勞條帶

圖14 擴展區(qū)疲勞弧線

圖15 瞬斷區(qū)顯微形貌

圖16 瞬斷區(qū)韌窩形貌

2.6 故障結論及原因排查

綜上所述，故障軸承組件故障主要表現(xiàn)為輔助列保持架疲勞斷裂、輔助列滾珠磨損變形、套圈滾道滾動接觸疲勞剝落等，集中于軸承輔助列。而軸承主列內圈滾道有相對較輕的顯微剝落，與軸承輔助列磨損剝落后潤滑性能降低有關。軸承輔助列滾珠變形導致保持架受力不均勻，保持架兜孔邊被摩擦擠壓成尖銳毛邊，萌生疲勞裂紋，最終導致保持架疲勞斷裂。

軸承顯微組織及硬度正常，符合標準要求。軸承內圈滾道表面未發(fā)現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，滾道表面未見腐蝕、外來物嵌入等現(xiàn)象，可排除材質、潤滑不良、腐蝕及外來物嵌入等因素導致軸承磨損剝落。滾珠在內圈滾道爬坡造成滾道磨損，從而導致滾道滾動接觸疲勞剝落。故障原因排查如下：

(1)潤滑冷卻不良。軸承各部位未見變色等形貌，對中心滑油管進行流量試驗，測試結果無異常，排除軸承潤滑冷卻不良因素導致故障。

(2)軸承質量問題。經(jīng)故障件金相檢查，軸承顯微組織及硬度正常，符合標準要求。同時該套軸承已使用一千多小時，軸承質量問題因素排除。

(3)軸承載荷異常。失效的故障軸承是低壓止推球軸承輔助列，只受到預緊軸向力的作用，故預緊軸向力的大小決定了輔助列是否能夠正常工作。通過對故障件的理化分析，得出導致故障軸承輔助列剝落的故障原因為輔助列鋼球出現(xiàn)輕載打滑，即輔助列軸承受到的預緊軸向力偏小，同時結合預緊彈簧尺寸檢測及其他發(fā)動機預緊彈簧尺寸統(tǒng)計分析，排除軸承載荷異常因素。

(4)外來物進入問題。通過分解檢查。未發(fā)現(xiàn)外來物或雜質，對收集到的金屬屑進行能譜分析，結果顯示金屬屑成分接近Cr4Mo4V材料成分，未見異常金屬元素，因此排除污染物進入情況。

(5)軸承裝配問題。復查裝配工藝，與原廠工藝規(guī)范一致；復查新機裝配的檢驗記錄，無異常情況。復查軸承裝配過程，由于花鍵螺母擰緊是采用力矩扳手而不是限力扳手，這就導致在裝配過程中可能由于人為因素出現(xiàn)裝配力矩不足的問題，故無法排除軸承裝配問題。

(6)腐蝕問題。通過失效軸承的理化分析，未見腐蝕形貌，可以排除軸承腐蝕因素。

(7)軸承配合尺寸不合格。查閱裝配原始記錄，未發(fā)現(xiàn)軸承尺寸及游隙存在異常情況，可以排除軸承游隙不合格問題。

通過對滾子軸承剝落故障的以上因素進行分析，除軸承裝配問題外，其余因素均可排除。

3 故障的發(fā)生機理及預防措施

結合發(fā)動機故障軸承裝配結構、受力分析及相關尺寸檢測情況分析，當發(fā)動機高壓轉速大于83%時，由于軸向力的換向，導致預緊彈簧此時處于最小壓縮狀態(tài)，提供的預緊軸向力最小。若花鍵螺母的裝配力矩不足，將導致預緊彈簧提供的預緊軸向力變小，造成預緊彈簧和調整墊圈發(fā)生相對運動，使得故障軸承輔助列出現(xiàn)輕載打滑及爬坡故障。若輔助列滾珠出現(xiàn)輕載打滑，將導致保持架受力不均勻、兜孔邊磨損，從而使保持架疲勞斷裂。

由于預緊彈簧和調整墊圈均存在不同程度的周向磨損，預緊彈簧及調整墊圈存在周向運動，即在運轉過程中預緊彈簧、調整墊圈和故障軸承出現(xiàn)松動現(xiàn)象。花鍵螺母裝配力不足是造成該松動現(xiàn)象的主要原因。隨著發(fā)動機使用時間的增加，滾珠在內圈滾道爬坡會造成滾道磨損，最終導致輔助列保持架出現(xiàn)疲勞斷裂，滾道滾動接觸產生疲勞剝落。

基于以上分析可以得出，該套軸承的失效機理為花鍵螺母裝配力矩不足，造成預緊彈簧提供的預緊力不足，導致故障軸承輔助列出現(xiàn)輕載打滑及爬坡故障，使軸承輔助列保持架斷裂和滾道剝落。

為了避免該故障再次產生，需完善某型航空發(fā)動機直推軸承的裝配流程及檢驗制度。嚴格執(zhí)行花鍵螺母的裝配力矩，將花鍵螺母2的裝配工序調整為關鍵工序，執(zhí)行自檢、互檢和專職檢驗的三檢工序。對此工序應定員、定崗，確保裝配質量穩(wěn)定、可靠。每次大修或檢修，應測量并記錄預緊彈簧的尺寸及性能參數(shù)。及時發(fā)現(xiàn)存在的潛在故障，并采取適當?shù)念A防性修理措施，以便于總結預緊彈簧使用后的性能衰減情況。通過研究其性能衰減與高度值變化的關系，舉一反三，避免類似故障發(fā)生。

[1] 董歡.某型航空發(fā)動機中介軸承故障診斷技術研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2017.

[2] 周至瀾，馬純民.航空發(fā)動機軸承失效分析與預防[M].北京：科學出版社，1998：37-39.

[3] HARRIS T A,KOTZALAS M N.滾動軸承分析[M].5版.羅繼偉，馬偉，楊咸啟，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2010：112-112.

[4] TAUQIR A,SALAM I,UL HAQ A,et al.Causes of fatigue failure in the main bearing of an aero-engine[J].Engineering Failure Analysis.2000,7(2):127-144.

[5] CHOY F K,WANG L,ZHOU J,et al.Online vibration monitoring of ball bearing damage using an experimental test rig[J].Journal of Propulsion and Power 2007,23(3):629-636.

[6] BHAT R R, NANDI V,MANOHARA V,et al.Case study on failure of ball bearing of an aeroengine[J].Journal of Failure Analysis and Prevention,2011,11(6):631-635.

[7] GUSKOV M, SINOU J J,THOUVEREZ F,et al.Experimental and numerical investigations of a dual-shaft test rig with intershaftbearing[J].International Journal of Rotating Machinery,2007(2007):1-12.

[8] 梁華，王珊珊，仇亞軍，等.軸承鋼球表面缺陷分析方法[J].軸承，2013(6)：46-48.

[9] 梁存根，王德偉，鞏孟祥，等.航空發(fā)動機主軸承保持架斷裂故障分析[J].軸承，2016(5)：24-26.

[10] 梁霄，張友輝，賈朝波，等.發(fā)動機主軸承外圈開裂故障分析[J].軸承，2014(5)：45-47.

[11] 苗學問.航空發(fā)動機主軸承使用壽命預測技術研究[D].北京：北京航空航天大學，2008.