航空發(fā)動機壓氣機后軸承失效故障的分析

［摘 要］作為航空發(fā)動機的核心部件之一，壓氣機后軸承承載著確保發(fā)動機穩(wěn)定運行的重要使命。文章以某型飛機在飛行過程中遇到的故障為例，分析了航天發(fā)動機壓氣機后軸承失效的故障現(xiàn)象，研究了其失效機理，并針對故障原因提出改進措施。

［關鍵詞］發(fā)動機；壓氣機；軸承故障

［中圖分類號］V263.6 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0064–03

1 航空發(fā)動機壓氣機后軸承國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，飛機的飛行安全和經(jīng)濟效益越來越被人們重視。航空發(fā)動機是高度復雜的熱力機械系統(tǒng)，其內(nèi)部零部件和子系統(tǒng)的可靠性直接關系到整個發(fā)動機的性能和安全性，特別是航空發(fā)動機壓氣機后軸承，是發(fā)動機中承受巨大負荷和極端工作環(huán)境的關鍵部件，其可靠性對于確保發(fā)動機長期穩(wěn)定運行具有不可替代的重要性。

針對如何提高航空發(fā)動機壓氣機后軸承的性能，國內(nèi)外諸多學者都進行了系統(tǒng)研究，通過細致入微的失效分析，揭示航空發(fā)動機壓氣機后軸承失效的內(nèi)在機理和外在誘因，如某型航空發(fā)動機中的球軸承由于安裝過程中的對中精度不足，導致軸承在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生嚴重的磨損和失效?；蚰耻娪蔑w機噴氣發(fā)動機中的球軸承，因為安裝過程中的不當操作，使軸承在錐齒輪軸上出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，引發(fā)后軸承失效故障。

2 案例分析

2.1 案例實況

某型飛機在執(zhí)行飛行任務時，遭遇了突發(fā)技術故障。飛機在6 000 m 高空平飛過程中，突然出現(xiàn)振動值的異常變化，原本穩(wěn)定的1.2 g 左右的振動值，在短時間內(nèi)躍升至3.5 g 左右，機組人員迅速做出反應，收油門以嘗試降低飛行高度，但在下降過程中振動值不僅沒有減小，反而繼續(xù)增大，說明發(fā)動機內(nèi)部的問題惡化。當飛行高度下降至1 200 多m 時，內(nèi)腔火警燈突然亮起，并持續(xù)閃爍4 s，緊急情況提示機組人員發(fā)動機內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了高溫或燃燒現(xiàn)象，機組人員果斷采取人工順槳停車措施，確保飛機安全備降。

2.2 故障現(xiàn)象

經(jīng)過對現(xiàn)場發(fā)動機的詳細檢查，發(fā)現(xiàn)了嚴重的轉(zhuǎn)子卡滯問題，所以導致發(fā)動機無法正常轉(zhuǎn)動。為更全面了解故障原因，對發(fā)動機進行全面拆解和深入檢查。拆解過程中對每個部件都進行了仔細觀察和檢查，發(fā)現(xiàn)以下問題：①壓氣機后軸承的保持架斷裂，滾子和內(nèi)環(huán)磨損嚴重，幾乎已經(jīng)無法正常使用，磨損和斷裂的部件影響了軸承的正常運轉(zhuǎn)，還導致發(fā)動機的其他部分受損。②壓氣機后軸承的尺寸異常，判定是長時間使用或安裝不當導致的，而且軸承與后軸頸發(fā)生了抱死現(xiàn)象，所以整個發(fā)動機因為故c0c85cf9102d9795765585b6dded37e225dceb03d7f9bce62a6eddae13c3d36a障無法正常運轉(zhuǎn)。壓氣機后軸承的螺母分解力矩較小，也表明固定不夠牢固。

由于故障存在，轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)向前移動情況，導致與靜子發(fā)生軸向碰磨，加劇了軸承的損壞，還對發(fā)動機的其他部分造成損壞。另外，壓氣機后軸承的鎖圈限位塊出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，加劇了軸承的損壞程度。檢查附件傳動時顯得不夠靈活，推斷是由于潤滑不良或長時間使用導致的。綜合以上情況可以得出結論：壓氣機后軸承的損傷是導致發(fā)動機故障的主要原因，考慮到該軸承已經(jīng)工作了25 d，其磨損和損壞是不可避免的，要及時更換和修復受損部件，以及對相關部件進行檢查和調(diào)整，以恢復發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

2.3 失效機理分析

對壓氣機后軸承、鎖圈及其相關配合件進行系統(tǒng)性的拆解與深入的觀察，并且利用先進的檢測設備和專業(yè)的技術手段，對關鍵部件進行詳盡的宏觀和微觀檢查，旨在全面了解損傷狀況和潛在的失效機制。

2.3.1 宏觀檢驗階段

在宏觀檢驗中重點關注壓氣機后軸承的多個關鍵區(qū)域，保持架作為軸承的重要組成部分，通過目視檢查和精密測量，發(fā)現(xiàn)保持架存在明顯的斷裂和破損現(xiàn)象，其形態(tài)呈現(xiàn)出不規(guī)則的碎片狀，表明在運行過程中可能承受了過大的應力或沖擊。此外對外環(huán)的外圓面和端面形貌進行仔細檢查，區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的磨損和劃痕，表明在長期使用過程中可能受到異物侵入或潤滑不良的影響。而且軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)的跑道面呈現(xiàn)磨損跡象，診斷應該是與軸承運轉(zhuǎn)時的摩擦和磨損有關。進一步了解軸承內(nèi)部的損傷情況，還對軸承內(nèi)環(huán)的端面形貌和鋼球的表面狀況進行檢查，同樣呈現(xiàn)出不同程度的磨損和劃痕，但相比之下程度較輕，可能由于鋼球和軸承內(nèi)環(huán)在設計和制造過程中采用較高的精度和耐磨性能。

2.3.2 斷口分析階段

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，保持架裂紋的斷口起源區(qū)和擴展區(qū)的疲勞條帶情況最嚴重，表明疲勞損傷已經(jīng)累積到一定程度，并在某些關鍵點上引發(fā)裂紋萌生和擴展，裂紋在受到外部載荷或沖擊時迅速擴展，最終導致保持架的斷裂失效。

2.3.3 硬度評估與診斷

對軸承的關鍵部件，包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、鋼球及保持架進行詳盡的硬度評估，通過精確的硬度檢測儀器和專業(yè)的技術人員操作，最終獲得詳細數(shù)據(jù)：軸承的多個部位均存在過熱現(xiàn)象，由于在高速運轉(zhuǎn)或負載過大時，摩擦產(chǎn)生的熱量沒有及時散發(fā)出去，過熱現(xiàn)象直接導致軸承材料的硬度降低，使其低于技術要求的標準，影響了軸承的正常使用壽命，還引發(fā)了嚴重的機械故障。

2.3.4 發(fā)動機內(nèi)部物質(zhì)分析與溯源

為深入探究軸承失效的原因，對壓氣機后軸承回油濾收集的金屬碎片進行全面的能譜分析，使用高端的分析儀器和精確的測量技術，得出確切結論：金屬碎片的材料為GCR15，與壓氣機后軸承的材料完全吻合，這一發(fā)現(xiàn)為進一步分析軸承失效的原因提供重要線索。經(jīng)過對軸承的硬度評估和發(fā)動機內(nèi)部物質(zhì)的能譜分析，能夠發(fā)現(xiàn)壓氣機后軸承的故障確實是由其失效所引起的，失效的根源在于保持架因疲勞而斷裂，導致了鋼球、內(nèi)環(huán)、外環(huán)在運轉(zhuǎn)過程中受到不均勻的壓力和摩擦，從而發(fā)生碾壓磨損，而且由于軸承失效后振動增大，鎖圈也遭受疲勞斷裂的影響。

2.4 故障排查

經(jīng)過對壓氣機后軸承失效事件的深入分析，逐步揭開故障背后的復雜原因，此次失效事件不僅涉及軸承的安裝、潤滑和及制造質(zhì)量，還涉及材料科學、力學及熱處理工藝等多方面。

（1）安裝環(huán)節(jié)進行詳盡排查。檢查安裝過程中是否存在過度力矩、安裝環(huán)境是否潔凈等問題。

（2）潤滑系統(tǒng)方面也進行了檢查。確保潤滑油的選擇符合規(guī)范，加注和更換都嚴格按照操作規(guī)程進行。潤滑不良是導致軸承失效的常見原因之一，要對此環(huán)節(jié)進行嚴格把控，以避免因潤滑問題導致的軸承失效。

（3）關注軸承的制造質(zhì)量。通過對比分析多件大修的壓氣機后軸承尺寸數(shù)據(jù)，能發(fā)現(xiàn)尺寸脹大現(xiàn)象普遍存在，尺寸脹大不僅會影響軸承的精度和性能，還可能導致軸承在工作過程中發(fā)生異常摩擦和磨損。

通過分析后發(fā)現(xiàn)，軸承材料中殘余奧氏體含量較高是導致尺寸脹大的重要原因。殘余奧氏體作為亞穩(wěn)定組織，在一定溫度或長時間工作條件下容易發(fā)生相變，導致尺寸不穩(wěn)定。為進一步驗證分析結果，開展多次保持架跌落試驗：在試驗過程中嚴格控制試驗條件，確保試驗結果的準確性和可靠性。經(jīng)過逐一排查和分析，排除了23 個底事件作為故障的直接原因，但仍有2 個底事件無法排除：軸承使用過程中尺寸不穩(wěn)定和保持架存在初始損傷。這2 個因素相互交織、相互影響，共同導致壓氣機后軸承的失效。具體見表1。

2.5 改進措施

針對航空發(fā)動機壓氣機后軸承失效故障，尤其是在軸承尺寸不穩(wěn)定和保持架初始損傷方面，進行深入的故障原因分析，并提出以下具體的改進措施，以確保軸承的長期穩(wěn)定運行。

2.5.1 軸承尺寸穩(wěn)定性的增強

針對軸承尺寸脹大的問題，對現(xiàn)有的熱處理工藝進行全面優(yōu)化，深入研究后決定在淬火工藝后增加冷處理步驟，并且還在原有工藝中增加一次附加回火工序，通過特定的溫度和時間控制，進一步釋放軸承內(nèi)部的加工應力，并穩(wěn)定其內(nèi)部組織，減小軸承尺寸的波動范圍。而且想要確保每一批次的軸承都符合高標準，必須執(zhí)行嚴格的抽樣檢測制度，采用先進的檢測設備和技術，對軸承的尺寸穩(wěn)定性進行全面檢測。只有當軸承的尺寸穩(wěn)定性符合既定的判定標準時，才可以被認定為合格產(chǎn)品。

2.5.2 加強防護與運輸過程中的安全措施

在軸承的制造和運輸過程中要考慮保持架的安全問題，為防止保持架在運輸過程中發(fā)生松散或跌落，在運輸前，需用堅固耐用的牛皮紙將保持架包裹嚴實，防止保持架在運輸過程中受到外界環(huán)境的侵蝕和損傷，還可以減少因摩擦而產(chǎn)生的噪聲和振動。同時還要在牛皮紙的兩頭接口處使用高強度膠帶進行十字交叉狀捆扎，該捆扎方式不僅可確保保持架在運輸過程中的穩(wěn)定性，還可以有效防止因包裝破損而導致的保持架松散或跌落。包裝過程中必須嚴格遵守操作規(guī)范，輕拿輕放，避免產(chǎn)生任何碰撞或包裝破損，否則任何微小的損傷都可能對保持架的性能和壽命產(chǎn)生不可預測的影響。部分企業(yè)已經(jīng)設計了堅固耐用的專用紙箱，具有良好的抗壓和抗沖擊性能，可有效保護內(nèi)部保持架不受損壞。并且在裝箱時會用泡沫、海綿或軟性填充紙等減振材料填充空余處，確保內(nèi)部的保持架在運輸過程中不會晃動或碰撞。

3 結束語

通過對航空發(fā)動機壓氣機后軸承失效故障的綜合分析，了解到原因包括設計缺陷、材料疲勞、運行環(huán)境惡劣、維護不當?shù)?。在現(xiàn)代航空工業(yè)中，壓氣機后軸承的穩(wěn)定性和可靠性對于發(fā)動機的整體性能至關重要。為預防類似故障的發(fā)生，需要從設計、材料、制造、運行及維護等多個環(huán)節(jié)綜合考慮。未來希望廣大航空從業(yè)人員和研究者繼續(xù)關注軸承失效問題，加強相關研究和技術創(chuàng)新，不斷提高航空發(fā)動機的可靠性和安全性。

參考文獻

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