閆冬,胡燕鳴,郭欣達(dá),王洪
(1.空軍駐安順地區(qū)軍事代表室,貴州 安順 561000;2.貴州天馬虹山軸承有限公司,貴州 安順 561000)
某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車到270 h時(shí)出現(xiàn)加力接不通故障,分解檢查發(fā)現(xiàn),加力泵中心油濾、偏心輪、進(jìn)口油濾、柱塞孔、轉(zhuǎn)子腔等處均有金屬屑,轉(zhuǎn)子組件柱塞全部卡死在下死點(diǎn)處,加力泵無(wú)法正常工作。為此,采用故障樹分析方法對(duì)故障原因進(jìn)行研究。
故障軸承為推力球軸承,主要由軸圈、座圈、鋼球、保持架和內(nèi)罩構(gòu)成,因軸圈工作表面呈斜盤狀,也常稱其為斜盤軸承。其中套圈和鋼球材料為Cr4Mo4V高溫軸承鋼,保持架材料為QAl10-3-1.5鋁青銅,內(nèi)罩材料為08Al低碳鋼。
柱塞頭工作表面及與其相接觸的斜盤軸承軸圈工作表面均出現(xiàn)嚴(yán)重磨損,分別如圖1、圖2所示。
圖1 柱塞頭工作表面
圖2 斜盤軸承軸圈工作表面
將斜盤軸承從軸承殼體內(nèi)取出后觀察發(fā)現(xiàn),軸圈外徑面和座圈外徑面均有沿圓周方向一周的明顯摩擦痕跡(圖3),軸承殼體內(nèi)徑表面和底部也有明顯摩擦痕跡(圖4)。
圖3 軸承軸圈和座圈外徑表面
圖4 軸承殼體內(nèi)徑和底部
軸承軸圈與內(nèi)罩接觸并留下明顯摩擦痕跡(圖5),軸承內(nèi)罩凸出座圈端面,二者之間出現(xiàn)一周不等距間隙(圖6)。
圖5 軸承軸圈與內(nèi)罩接觸摩擦
圖6 軸承內(nèi)罩凸出座圈端面
分解斜盤軸承檢查發(fā)現(xiàn),內(nèi)罩鎖口邊緣出現(xiàn)沿圓周方向的磨損亮帶,露出金屬材料基體(圖7),內(nèi)罩與座圈端面接觸部位沿圓周方向有一周接觸亮痕(圖8)。
圖7 軸承內(nèi)罩鎖口邊緣磨損
圖8 內(nèi)罩與座圈端面接觸部位亮痕
斜盤軸承內(nèi)罩凸出座圈端面問題是分析該起發(fā)動(dòng)機(jī)加力接不通故障的關(guān)鍵。由于該問題極具偶然性,無(wú)法進(jìn)行故障再現(xiàn),因此采用故障樹分析法進(jìn)行分析[1-4]。把斜盤軸承內(nèi)罩凸出問題作為頂事件,建立如圖9所示的故障樹。
圖9 斜盤軸承內(nèi)罩凸出故障樹
2.1.1 原材料質(zhì)量復(fù)查
經(jīng)對(duì)軸承原材料進(jìn)行復(fù)查,軸承零件材料均按GJB 269—1987《航空滾動(dòng)軸承技術(shù)條件》進(jìn)行控制,并經(jīng)廠家及軸承廠檢驗(yàn)合格。對(duì)故障軸承零件進(jìn)行理化檢測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)均合格,未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。
2.1.2 生產(chǎn)過(guò)程復(fù)查
該軸承為成熟產(chǎn)品,軸承零件均為批量生產(chǎn),生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,經(jīng)查故障批軸承零件生產(chǎn)情況及過(guò)程質(zhì)量記錄,加工質(zhì)量穩(wěn)定,無(wú)異常。對(duì)故障軸承零件進(jìn)行金相和硬度檢測(cè),結(jié)果符合GJB 269—1987要求,熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。
2.1.3 壓裝過(guò)程復(fù)查
軸承內(nèi)罩壓裝分為預(yù)壓罩和整體壓罩兩步:預(yù)壓罩是將軸承座圈和內(nèi)罩放入模具中進(jìn)行壓裝,使軸承內(nèi)罩壓入座圈(圖10);整體壓罩是將完成預(yù)壓罩的軸承座圈、軸圈、鋼球和保持架組合后放入模具中進(jìn)行壓裝(圖11)。為復(fù)查軸承壓裝過(guò)程,進(jìn)行多次壓裝試驗(yàn),包括:將內(nèi)罩斜置進(jìn)行預(yù)壓罩、在軸承座圈與模具間放置異物進(jìn)行預(yù)壓罩、墊斜底模進(jìn)行預(yù)壓罩、調(diào)整壓力機(jī)行程進(jìn)行壓裝等,均無(wú)法壓裝出內(nèi)罩凸出座圈端面的軸承,因此可以排除壓裝過(guò)程導(dǎo)致的內(nèi)罩原始凸出的情況。
1—下模;2—上模;3—內(nèi)罩;4—座圈
1—上模;2—導(dǎo)柱;3—限位塊;4—內(nèi)罩;5—軸承;6—下模
2.1.4 軸承質(zhì)量復(fù)查
故障軸承可以正常旋轉(zhuǎn),無(wú)卡滯,軸承分解后檢測(cè)軸承零件尺寸精度,除軸承工作表面及安裝配合表面磨損、變形部位外,其余各項(xiàng)尺寸精度符合軸承產(chǎn)品圖樣規(guī)定要求,軸承質(zhì)量合格。
斜盤軸承的額定壽命為
Lh=106(C/P)/(60n)=16 667(C/P)ε/n,
式中:C為基本額定動(dòng)載荷,N;P為當(dāng)量動(dòng)載荷,N;ε為壽命指數(shù),根據(jù)GB/T 6391—2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》,取ε=3;n為軸承轉(zhuǎn)速,r/min。通過(guò)理論計(jì)算,該軸承在載荷最大點(diǎn)的壽命值遠(yuǎn)大于加力泵使用壽命。
斜盤軸承已服役30多年,廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵、加力泵等油泵,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證,可以滿足油泵使用要求,軸承設(shè)計(jì)滿足要求。
2.3.1 安裝過(guò)程復(fù)查
軸承座圈與軸承殼體是過(guò)渡配合,安裝軸承時(shí)將軸承壓入軸承殼體即可,加力泵轉(zhuǎn)子組件9個(gè)柱塞頭部頂緊在斜盤軸承軸圈工作斜盤面,通過(guò)鋼球傳遞壓力將軸承座圈壓緊在軸承殼體底部。安裝工藝規(guī)定用塞規(guī)檢查軸承座圈與軸承殼體底部間的間隙量不大于0.5 mm。經(jīng)復(fù)查安裝過(guò)程及質(zhì)量記錄,實(shí)測(cè)間隙量為0.2~0.4 mm,滿足工藝要求,安裝過(guò)程無(wú)異常。
2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)試車參數(shù)復(fù)查
對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車參數(shù)進(jìn)行復(fù)查,故障發(fā)生前各項(xiàng)參數(shù)均在正常范圍,亦無(wú)較大波動(dòng)。軸承安裝質(zhì)量問題導(dǎo)致的故障均發(fā)生在工作早期,不會(huì)到270 h時(shí)才出現(xiàn)故障,早期各項(xiàng)試車參數(shù)均無(wú)異常,所以可以排除軸承安裝質(zhì)量問題。
從分解檢查情況可以確定,金屬屑堵塞柱塞孔,轉(zhuǎn)子組件的9個(gè)柱塞全部卡死是導(dǎo)致加力泵不能正常工作、發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)加力接不通故障的直接原因。對(duì)加力泵內(nèi)中心油濾、偏心輪、進(jìn)口油濾、柱塞孔、轉(zhuǎn)子腔等各處的金屬屑進(jìn)行能譜分析,其主要成分是Fe,C,O元素,含有少量Cr,Mo,V,Si,Ag等元素,均為軸承和柱塞材料成分,因此排除異物混入的可能。
該發(fā)動(dòng)機(jī)試車至250 h左右時(shí)曾進(jìn)行過(guò)轉(zhuǎn)廠,后又繼續(xù)進(jìn)行試車。借鑒以往經(jīng)驗(yàn),曾有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)廠過(guò)程中,由于拆卸安裝、搬運(yùn)裝箱以及交通路況不好等因素影響,產(chǎn)生振動(dòng),出現(xiàn)軸承脫離軸承殼體的情況。斜盤軸承與軸承殼體間存在一定間隙,操作者拆卸軸承時(shí)采用敲擊振動(dòng)的方式,因此,存在外部振動(dòng)致使軸承脫離軸承殼體底部的可能性。
斜盤軸承內(nèi)罩的主要作用是連接軸承座圈和軸圈,確保軸承在運(yùn)輸、安裝時(shí)不會(huì)發(fā)生散套問題。正常工作情況下,軸承軸圈被柱塞頭頂緊,內(nèi)罩不會(huì)與其接觸。一旦軸承座圈脫離軸承殼體底部,軸承就會(huì)產(chǎn)生偏斜,柱塞頭在軸圈斜盤面上的頂緊力會(huì)變得不均勻,使軸承軸圈出現(xiàn)受力不平衡,導(dǎo)致軸圈與內(nèi)罩接觸,出現(xiàn)磨損,產(chǎn)生金屬屑,金屬屑進(jìn)入柱塞孔,導(dǎo)致柱塞卡死,軸承受力越來(lái)越不平衡。系統(tǒng)的非正常運(yùn)轉(zhuǎn),必將導(dǎo)致柱塞頭表面與斜盤軸承工作表面也發(fā)生磨損,產(chǎn)生的金屬屑增多,使轉(zhuǎn)子組件的柱塞全部卡死。另一方面,軸承軸圈與內(nèi)罩接觸產(chǎn)生作用力F,相對(duì)內(nèi)罩與座圈接觸的固定點(diǎn)O點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩M=FL(圖12,圖中L為作用力F對(duì)點(diǎn)O的力臂),在M作用下,內(nèi)罩逐漸脫離座圈端面,出現(xiàn)間隙。內(nèi)罩凸出量越來(lái)越大,直至與軸承殼體底部接觸并產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),在軸承殼體底部留下一小段明顯痕跡。
圖12 斜盤軸承內(nèi)罩凸出機(jī)理圖
通過(guò)故障分析可知,故障原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)廠過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)因素,導(dǎo)致加力泵斜盤軸承脫離了軸承殼體底部,再次恢復(fù)試車后斜盤軸承與軸承殼體間出現(xiàn)偏斜,工作中軸承軸圈與內(nèi)罩相接觸,并產(chǎn)生磨損。
1) 加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸過(guò)程控制
采取必要的減震保護(hù)措施,此外,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸完成后,應(yīng)采取有效的檢查手段,確保內(nèi)部類似斜盤軸承這種以過(guò)渡配合安裝的軸承保持其正確的安裝位置。
2) 加強(qiáng)軸承內(nèi)罩與軸圈間隙的控制
軸承內(nèi)罩與軸圈異常接觸并發(fā)生磨損是金屬屑產(chǎn)生的直接原因,為進(jìn)一步提高軸承可靠性,避免軸承內(nèi)罩與軸圈的異常接觸,還要加強(qiáng)對(duì)軸承內(nèi)罩與軸圈間隙量控制,合理確定內(nèi)罩壓裝后的鎖口開口尺寸,同時(shí)加強(qiáng)軸承軸向串動(dòng)量的控制。
3) 加強(qiáng)軸承安裝質(zhì)量控制
為避免類似問題發(fā)生,更要加強(qiáng)軸承安裝質(zhì)量的監(jiān)控與檢查,避免軸承出現(xiàn)脫出殼體、偏斜等情況。