王 斌，樊照遠(yuǎn)

（海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承滑蹭故障分析

王 斌，樊照遠(yuǎn)

（海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、高溫的條件下工作，其可靠性及壽命直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)能否安全使用乃至飛行員的生命安全。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承在工廠試車后多次出現(xiàn)麻點(diǎn)、壓傷超標(biāo)等早期故障，已經(jīng)成為制約該型發(fā)動(dòng)機(jī)科研生產(chǎn)任務(wù)完成的關(guān)鍵因素，因此，有必要對(duì)該軸承典型故障進(jìn)行深入分析。針對(duì)某軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)No.3支點(diǎn)軸承滑蹭故障，從軸承的工作機(jī)理出發(fā)，結(jié)合故障統(tǒng)計(jì)及對(duì)比測(cè)量等分析工作，深入分析了主軸軸承的故障原因，確定了排故措施，不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性及壽命，并且對(duì)新型軸承的研制也具有一定指導(dǎo)意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；軸承；對(duì)比測(cè)量；故障分析

1 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件，工作條件惡劣，是發(fā)動(dòng)機(jī)故障高發(fā)部位。飛機(jī)在飛行過(guò)程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承發(fā)生故障，其后果不堪設(shè)想[1-3]。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承設(shè)計(jì)技術(shù)起步較晚，雖然在80年代后期取得了較大發(fā)展，但與歐美等航空軸承強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承研制在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承材料、試驗(yàn)手段等方面尚有較大差距，目前國(guó)內(nèi)航空軸承存在的技術(shù)問(wèn)題主要是尺寸穩(wěn)定性差，新軸承工作面經(jīng)常有劃傷、壓痕等表面損傷，同時(shí)壽命較短，這必然會(huì)對(duì)新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制造成一定消極影響，因此，深入研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承故障具有重要意義。

2 軸承故障種類

軸承故障種類較多，依據(jù)故障發(fā)生的原因大致可以歸結(jié)為工作條件、顆粒異物、軸承材料等3類[4，5]。第一類主要是由于軸承高溫、高速、高DN值等惡劣工作條件引起，主要表現(xiàn)為打滑蹭傷、剝落、保持架和套圈斷裂等。滾子軸承打滑蹭傷的主要原因是轉(zhuǎn)子重量較輕，對(duì)軸承沒(méi)有形成足夠的徑向載荷；球軸承打滑蹭傷的主要原因是所受軸向載荷變向。此外，滾動(dòng)體和保持架所受的運(yùn)動(dòng)阻力過(guò)大時(shí)也會(huì)發(fā)生打滑蹭傷故障。第二類主要是由于顆粒異物引起，主要有磨粒引起的損傷、壓痕引起的損傷。第三類故障是軸承材料本身的原因，比如工作表面或次表面大碳化物等夾雜物引起的損傷。

本文針對(duì)某軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)No.3支點(diǎn)軸承滑蹭故障，從軸承工作的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合故障統(tǒng)計(jì)工作及對(duì)比測(cè)量分析工作，深入分析了主軸軸承的故障原因，確定了排故措施，不僅保證了發(fā)動(dòng)機(jī)正常的生產(chǎn)交付任務(wù)，還提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性及壽命。

3 研究對(duì)象

某小涵道比雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)No.3支點(diǎn)軸承工作表面滑蹭故障，但因其機(jī)理比較復(fù)雜，一直以來(lái)沒(méi)有得到較好地解決。該軸承為雙半內(nèi)圈角接觸球軸承，裝于高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)，承受來(lái)自高壓的軸向力和部分徑向力，如圖1所示。No.3支點(diǎn)軸承外圈安裝在中介機(jī)匣中央錐殼體內(nèi)，內(nèi)圈安裝在主動(dòng)錐齒輪軸頸上，通過(guò)套齒實(shí)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)傳動(dòng)，潤(rùn)滑方式為環(huán)下供油，裝配位置如圖 2 所示。軸承內(nèi)圈是雙半環(huán)結(jié)構(gòu)，窄半環(huán)是主承力半環(huán)；寬半環(huán)（圖中帶槽的半環(huán)）是非承力半環(huán)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)曾發(fā)生多起No.3支點(diǎn)軸承工作表面滑蹭故障，滑蹭一般發(fā)生在雙半套圈的一個(gè)半環(huán)滾道上，有明顯的拖尾現(xiàn)象，故障軸承滾動(dòng)體球面的三分之一變色。當(dāng)然，也有寬、窄半環(huán)同時(shí)存在滑蹭的，也有鋼球變色而內(nèi)圈未滑蹭的。典型故障形貌如圖 3～圖 6 所示。

圖1 No.3支點(diǎn)軸承結(jié)構(gòu)

圖2 No.3支點(diǎn)軸承裝配圖

圖3 窄半環(huán)滑蹭形貌

圖5 鋼球表面細(xì)小滑蹭痕跡

圖6 鋼球表面較大較窄的環(huán)帶變色

4 滑蹭故障分析

4.1 引發(fā)軸承滑蹭的因素分析

從軸承工作的機(jī)理分析，引發(fā)軸承滑蹭的可能因素如下[6，7]。

（1）軸向載荷不足造成的滑蹭

軸承在軸向載荷不足的情況下，徑向力作用在軸承上，并傳遞給鋼球使之不能形成有效接觸角，鋼球與兩個(gè)半內(nèi)圈同時(shí)接觸，形成多點(diǎn)接觸。進(jìn)而出現(xiàn)滑蹭故障。

（2）徑向游隙不足造成的多點(diǎn)接觸

No.3支點(diǎn)軸承內(nèi)圈為桃形溝結(jié)構(gòu)，在徑向游隙不足的情況下，會(huì)導(dǎo)致鋼球表面與溝道表面出現(xiàn)打滑蹭傷。

（3）鋼球自旋造成的滑蹭

在高速旋轉(zhuǎn)并承受一定軸向載荷的球軸承中，會(huì)產(chǎn)生一種偏離套圈中心且沿徑向分布的離心力，使軸承的受力情況發(fā)生變化。在離心力作用下，鋼球作用于外圈溝道上的力大為增加，同時(shí)卻減少了鋼球與內(nèi)圈溝道之間的作用力。內(nèi)、外圈溝道上作用力的改變，會(huì)影響到鋼球與內(nèi)、外圈接觸角的改變，致使外圈接觸角變小，而內(nèi)圈接觸角變大。在軸向載荷一定的情況下，軸承的轉(zhuǎn)速越高，則內(nèi)、外圈接觸角的差別也越大。如果內(nèi)、外圈接觸角的差別很大，會(huì)影響到軸承中的摩擦狀態(tài)。由于球與外圈溝道的接觸角變小，運(yùn)動(dòng)方式近乎純滾動(dòng)狀態(tài)；在內(nèi)圈溝道上的接觸角變大，使鋼球除承受滾動(dòng)力矩外還承受了一個(gè)附加力矩即陀螺力矩，該力矩將使鋼球在內(nèi)圈溝道上產(chǎn)生自旋運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槔@鋼球與內(nèi)圈接觸點(diǎn)及鋼球中心點(diǎn)的連線軸旋轉(zhuǎn)，自旋轉(zhuǎn)方向使接觸副出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦，其結(jié)果將引起與內(nèi)圈溝道接觸的鋼球表面滑蹭磨損，滑蹭面積的大小與當(dāng)時(shí)的接觸角大小有關(guān)。

（4）軸向載荷過(guò)大造成的滑蹭

三點(diǎn)接觸球軸承在工作時(shí)，鋼球與承力內(nèi)圈接觸，與非承力內(nèi)圈有一個(gè)殘余間隙。當(dāng)殘余間隙為零或?yàn)樨?fù)值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)多點(diǎn)接觸，進(jìn)而引起滑蹭故障。No.3軸承軸向載荷情況如表 1 所示。

表1 No.3軸承軸向載荷

4.2 統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程

通過(guò)對(duì)No.3支點(diǎn)軸承滑蹭故障發(fā)生部位統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)軸承寬內(nèi)圈（No.3支點(diǎn)軸承有兩個(gè)內(nèi)圈，分為寬內(nèi)圈、窄內(nèi)圈）發(fā)生滑蹭的概率較高，如圖 7 所示，說(shuō)明軸承工作過(guò)程中出現(xiàn)了多點(diǎn)接觸現(xiàn)象，另外通過(guò)統(tǒng)計(jì)排除了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配方面的原因。

4.3 對(duì)比測(cè)量分析

為進(jìn)一步探究No.3支點(diǎn)軸承滑蹭故障的原因，對(duì)故障軸承做進(jìn)一步的對(duì)比測(cè)量分析工作。為此，分三次對(duì)不同批次故障軸承進(jìn)行測(cè)量。

圖7 3支點(diǎn)軸承滑蹭故障發(fā)生部位統(tǒng)計(jì)圖

4.3.1 第一次測(cè)量

測(cè)量后有明顯差異的參數(shù)如表 2 所示。從測(cè)量結(jié)果看，故障軸承外內(nèi)徑尺寸較小、外內(nèi)徑橢圓度較大導(dǎo)致引導(dǎo)間隙偏下限；故障軸承外內(nèi)徑粗糙度較差；內(nèi)套溝曲率尺寸超差等問(wèn)題可能對(duì)本故障影響較大。

表2 第一次對(duì)比測(cè)量

4.3.2 第二次測(cè)量

測(cè)量有明顯差異的參數(shù)如表 3 所示。由測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)：

（1）軸承外圈溝道圓度輕度超差，內(nèi)圈溝道圓度超差很多，有的將近一倍。

（2）軸承曲率半徑：故障件 3、故障件 4非承力內(nèi)圈、故障件 5 承力內(nèi)圈曲率半徑超差，可能與本故障有關(guān)。

根據(jù)檢測(cè)情況，超差項(xiàng)主要集中在內(nèi)圈溝道圓度和內(nèi)圈曲率半徑方面，此兩項(xiàng)指標(biāo)可能與本故障有關(guān)。

4.3.3 第三次測(cè)量

測(cè)量有明顯差異的參數(shù)如表 4 所示。由測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，軸承內(nèi)圈滾道曲率半徑和墊片厚度等對(duì)軸承滑蹭問(wèn)題可能影響較大。

4.4 故障分析

通過(guò)對(duì)故障件的三次對(duì)比測(cè)量，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈滾道曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度等對(duì)軸承滑蹭問(wèn)題可能影響較大。通過(guò)軸承工作機(jī)理來(lái)看，造成滑蹭故障的原因可能為：軸向載荷不足造成的多點(diǎn)接觸、徑向游隙不足造成的多點(diǎn)接觸及鋼球自旋造成的面接觸等。通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)軸向載荷，排除了軸向載荷不足造成多點(diǎn)接觸的因素；通過(guò)統(tǒng)計(jì)軸承滑蹭發(fā)生部位，發(fā)現(xiàn)故障類型為多點(diǎn)故障，排除鋼球自旋造成面接觸的因素；最后通過(guò)三次故障軸承參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比分析，確定故障原因?yàn)閺较蛴蜗恫蛔悖憩F(xiàn)為軸承內(nèi)圈滾道曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度偏離設(shè)計(jì)要求。

No.3支點(diǎn)軸承蹭傷故障主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中軸承非承載區(qū)剩余間隙偏小，使?jié)L動(dòng)體與內(nèi)圈出現(xiàn)多點(diǎn)接觸導(dǎo)致蹭傷;還有可能與軸承制造精度不足有關(guān),軸承制造精度不足主要表現(xiàn)在內(nèi)圈滾道曲率半徑和墊片厚度偏離設(shè)計(jì)要求。

表3 第二次對(duì)比測(cè)量

表4 第三次對(duì)比測(cè)量

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決No.3支點(diǎn)軸承蹭傷故障將進(jìn)行以下工作：開(kāi)展游隙及制造精度方面的研究工作,研究提高軸承制造精度的措施，主要針對(duì)軸承內(nèi)圈溝曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度尺寸控制問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)研究；裝前仔細(xì)檢查軸承表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)聯(lián)系廠家解決。

[1] Harris T A，Kotzalas M N. 滾動(dòng)軸承分析[M]．羅繼偉，等譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 萬(wàn)長(zhǎng)森．滾動(dòng)軸承的分析方法[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[3] 周志瀾，馬純民，等．航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承失效分析與預(yù)防[M]．北京：科學(xué)出版社，1998.

[4] 張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.51-65.

[5] 羅繼偉，馬偉，等譯.滾動(dòng)軸承分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.283-286.

[6] 周志瀾，馬純民,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承失效分析與預(yù)防[M]北京：科學(xué)出版社，1998.133-137.

[7] 陶春虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的失效與預(yù)防[M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.215-224.

（編輯：王立新）

Fault analysis of aircraft engine spindle bearing skidding damage

Wang Bin，F(xiàn)an Zhaoyuan
( Navy Engine Professional Military Delegate Off i ce in Shenyang ,Shenyang 110043, China )

The aircraft engine spindle bearing is one of the important parts of the aircraft engine. In the condition of high speed, high load, and high temperature, their health status can directly affect the aircraft engine, aircraft use safety and aircraft pilot life safety . The initial failure, such as pits and bruise exceed standard , is of frequent occurrence after trial run in the factory. It has become the key factor that restricts this type of aircraft engine research and production task..Therefore, it is necessary to analyze thoroughly the typical faults of aircraft engine spindle bearing. This article aims at the problem of the military turbofan engine three-fulcrum bearing skidding damage fault, and analyses the reason of bearing failure based on working principle of bearing, fault statistics and comparison measurement. Effective measures are taken for troubleshooting. It not only improves the reliability and life of the aircraft engine, but also has certain guiding signif i cance to the development of the novel bearing.

aircraft engine; bearing; comparison measurement; fault analysis

TH133.33+1

B

1672-4852（2017）01-0015-04

2017-02-03.

王 斌（1978-），男，工程師.