高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)葉輪軸承系統(tǒng)失效案例分析與改進(jìn)

胡 悅，常 莉，王 輝，陳國鵬，鄧 波，齊林林

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司134廠，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)最重要的核心部件是葉輪軸承系統(tǒng)。葉輪軸承系統(tǒng)的安全性以及可靠性是保證高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，對(duì)高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)的性能及振動(dòng)使用工況等產(chǎn)生直接的影響。

某型直升機(jī)在一次飛行任務(wù)結(jié)束準(zhǔn)備降落時(shí)，主減滑油溫度出現(xiàn)異常。機(jī)務(wù)人員拆下高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)1后發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸從保險(xiǎn)截面處斷裂(如圖1)，葉輪側(cè)軸承保持架嚴(yán)重?fù)p毀，軸承保持架、外圈滾道均出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖2)，花鍵側(cè)軸承滾動(dòng)體損壞嚴(yán)重，軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖3)。

圖1 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)故障情況

圖2 風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)軸承低倍圖

圖3 風(fēng)機(jī)花鍵側(cè)軸承低倍圖

1 故障分析

高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)主要由蝸殼、罩殼、葉輪、葉輪擋套、傳動(dòng)軸、軸承系統(tǒng)等組成，其中軸承系統(tǒng)包括軸承、軸承殼體、軸承壓蓋甲、軸承壓蓋乙、軸承擋套甲、軸承擋套乙等零件。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于風(fēng)機(jī)軸承系統(tǒng)失效故障，經(jīng)設(shè)計(jì)所分析得出結(jié)論如下：軸承防塵蓋為疲勞斷裂，疲勞斷裂的原因是軸承在損壞失效后，內(nèi)部保持架、滾動(dòng)體等刮蹭磨損防塵蓋，造成防塵蓋嚴(yán)重磨損、斷裂。可見，風(fēng)機(jī)故障的發(fā)生過程為軸承防塵蓋出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致潤滑脂流失，造成軸承干磨運(yùn)轉(zhuǎn)失效，軸承失效后風(fēng)機(jī)葉輪與風(fēng)機(jī)罩殼發(fā)生刮蹭、劇烈磨損，在葉輪扭轉(zhuǎn)力矩大于剪切斷面的設(shè)計(jì)最大扭矩后，傳動(dòng)軸從剪切斷面處過載扭斷，以保護(hù)主減。

根據(jù)風(fēng)機(jī)軸承失效故障原因初步分析，建立故障樹，如圖5所示。

圖5 軸承系統(tǒng)失效故障樹

軸承生產(chǎn)配套廠家鐵姆肯公司對(duì)提供的軸承要求不得破壞軸承包裝，只能檢查配套資料完整性和軸承外觀，軸承入廠檢驗(yàn)項(xiàng)目缺少，導(dǎo)致過程質(zhì)量無法有效控制。

風(fēng)機(jī)兩軸承一端為固定端(花鍵側(cè)軸承)，一端為浮動(dòng)端(葉輪側(cè)軸承)。固定端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套甲、軸承擋套乙)予以約束；外圈由定子零件(軸承壓蓋甲、軸承殼體)予以約束。浮動(dòng)端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套乙、葉輪擋套)予以約束；外圈僅在軸承殼體上予以徑向約束，外圈可活動(dòng)，如圖6所示。在風(fēng)機(jī)高速長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著軸向力的變化及產(chǎn)品振動(dòng)的影響，軸承內(nèi)圈金屬臺(tái)階與防塵蓋存在頻繁碰撞接觸的情況，導(dǎo)致防塵蓋內(nèi)圈附近出現(xiàn)裂紋，軸承潤滑脂密封提前失效。

圖6 風(fēng)機(jī)軸承軸向定位結(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)機(jī)分解檢查結(jié)果，分析造成該套高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)軸承失效的原因?yàn)椋孩佥S承制造、質(zhì)量復(fù)驗(yàn)問題；②軸承軸向定位問題。即底事件X2、X3無法排除，其他事件均能排除。

1.1 軸承制造、質(zhì)量復(fù)驗(yàn)問題

軸承為精密部件，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制復(fù)雜，具有較高的精度要求。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)過程中需采用多種專用工具對(duì)零部件進(jìn)行檢測，主要包括材料組織、硬度、表面完整性、尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度、游隙、溫升、振動(dòng)、漏脂試驗(yàn)等。各項(xiàng)檢測指標(biāo)均對(duì)軸承性能和壽命有較大的影響：一旦超標(biāo)，輕則軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，造成溫升和振動(dòng)增大，減少軸承使用壽命；重則軸承運(yùn)轉(zhuǎn)卡滯，致使軸承過早失效，無法使用。

1.2 軸承軸向定位問題

軸承的防塵蓋易出現(xiàn)裂紋的部位位于軸承內(nèi)圈臺(tái)階處，且防塵蓋在與內(nèi)圈接觸部位無金屬骨架。高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)可簡化為兩軸承支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)受力方向主要朝向葉輪側(cè)。在機(jī)上振動(dòng)與環(huán)境交變的綜合作用力下，軸承內(nèi)圈與防塵蓋動(dòng)密封配合處與金屬臺(tái)階頻繁接觸碰撞，導(dǎo)致防塵蓋在金屬骨架結(jié)合處出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，軸承無法實(shí)現(xiàn)潤滑脂的密封。隨著潤滑脂的加速流失，軸承最終干磨運(yùn)轉(zhuǎn)失效。

2 解決措施

通過對(duì)故障件的分解檢查及原因分析，認(rèn)為導(dǎo)致此次故障的原因是：軸承定位問題。同時(shí)在排查過程中發(fā)現(xiàn)，軸承入廠復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目較少且無法反映軸承質(zhì)量，需補(bǔ)充完善軸承復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1 軸承定位問題改進(jìn)

為提高軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，改良軸承運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，對(duì)高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)軸承殼體、軸承壓蓋乙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便為浮動(dòng)端軸承提供預(yù)緊緩沖，改進(jìn)主要為：

1)軸向增加波形彈簧，安裝于葉輪側(cè)軸承一側(cè)，起軸承預(yù)緊和減振緩沖的作用。波形彈簧相當(dāng)于緩沖阻尼，有利于軸承軸向穩(wěn)定，避免軸向往復(fù)劇烈運(yùn)動(dòng)，保證軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。

2)徑向增加減振膠圈，安裝在軸承殼體表面，作用于軸承殼體和蝸殼安裝面之間，起減振的作用。軸承殼體為葉輪的支撐零件，主要與軸承外圈配合。在風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用過程中，直升機(jī)上振動(dòng)環(huán)境致使風(fēng)機(jī)蝸殼、軸承殼體等攜帶一定的附加振動(dòng)，進(jìn)而通過軸承殼體影響葉輪。增加徑向的減振膠圈，可以減緩?fù)饨鐚?duì)風(fēng)機(jī)軸系的影響，保證葉輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。改進(jìn)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)內(nèi)部改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 補(bǔ)充完善軸承復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目

經(jīng)與軸承廠家溝通，增加軸承復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目：

1)由鐵姆肯公司提供軸承軸向、徑向游隙數(shù)據(jù)測量記錄，軸承加脂量測量記錄，軸承內(nèi)外圈硬度批次檢測記錄；

2)采用下廠驗(yàn)收的方式，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)單位進(jìn)行包裝前檢查并復(fù)驗(yàn)軸承關(guān)鍵尺寸(如軸承內(nèi)外圈尺寸、寬度尺寸、軸承游隙等)。

2.3 驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，同步監(jiān)測溫度和振動(dòng)情況。

2.3.1 試驗(yàn)情況

經(jīng)試驗(yàn)監(jiān)測高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)的溫度及振動(dòng)情況：高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)花鍵側(cè)軸承外圈溫度對(duì)比情況見圖8；高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)葉輪側(cè)軸承外圈溫度對(duì)比情況見圖9；高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)徑向振動(dòng)量值對(duì)比情況見圖10；高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)軸向振動(dòng)量值對(duì)比情況見圖11。

圖8 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)花鍵側(cè)軸承外圈溫度

圖9 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)葉輪側(cè)軸承外圈溫度

圖10 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)徑向振動(dòng)量值

圖11 高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)軸向振動(dòng)量值

2.3.2 試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)獲取的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為改進(jìn)方案有明顯的改善效果。

1)高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)工作的軸承溫度有明顯的降低，表明軸承在工作過程中實(shí)際的受力情況有所降低,且浮動(dòng)端軸承的軸向竄動(dòng)摩擦產(chǎn)熱被部分抑制。溫度的降低有利于軸承的長時(shí)間工作。根據(jù)壽命理論計(jì)算值，高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，壽命增加約31%。

2)高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在振動(dòng)監(jiān)測中，徑向振動(dòng)差異不大，軸向振動(dòng)上有明顯改善。軸向振動(dòng)量值的降低，表明波形彈簧有減振緩沖作用，能夠減緩浮動(dòng)端軸承的軸向竄動(dòng)，減輕軸承內(nèi)圈對(duì)軸承防塵蓋的作用，利于軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

綜上所述，高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)改進(jìn)方案通過在浮動(dòng)端軸承軸向增加波形彈簧進(jìn)行預(yù)緊及減振緩沖，徑向增加減振膠圈，可解決防塵蓋破損、軸承干磨失效的問題。改進(jìn)措施驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容完整充分，對(duì)其它高轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)減振分析與改進(jìn)也有借鑒意義。