方波 林親學(xué)

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

故障樹分析法（FTA）是產(chǎn)品可靠性和安全性分析的重要工具之一，它以一個不希望的產(chǎn)品故障事件即頂事件作為分析的目標(biāo)，通過自上而下嚴(yán)格的按層次的故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有原因和組合，在各個領(lǐng)域的排故中起到了非常重要的作用[1]。

軸承是航空發(fā)動機(jī)上非常重要的零件，軸承一旦失效，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)或卡滯，發(fā)動機(jī)失效。引起軸承失效的原因很多，常見的原因包括潤滑不當(dāng)（約占35%）、污染物（約占25%）、安裝不當(dāng)（約占13%）、負(fù)載過重（約占8%）等[2]。航空發(fā)動機(jī)上發(fā)生軸承失效概率較高，對其軸承失效原因的分析一直是人們廣泛關(guān)注的課題。

1.故障現(xiàn)象

某發(fā)動機(jī)在試車時，振動突然增大并超限，緊急停車后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡死。整機(jī)下臺分解后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)靜子碰磨，轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)軸承失效，保持架斷裂，軸承滾子嚴(yán)重磨損，10 顆直徑為6.7mm 的滾子僅殘留5 顆米粒大小的滾子。經(jīng)過對失效軸承進(jìn)行理化分析，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈、滾子、保持架最終失效模式均為磨損失效，外圈失效模式為高溫?zé)g。

2.故障排查

2.1 故障樹建立

為了排除故障，以軸承失效為頂事件，從軸承自身因素和外部因素兩個方面，綜合考慮軸承設(shè)計、制造、使用條件、安裝等因素建立故障樹，見圖1。

2.2 故障原因排查

2.2.1 設(shè)計問題

失效軸承采用的是三點(diǎn)接觸球軸承，位于轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)處，對該軸承的外徑、內(nèi)徑、游隙、接觸角等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了復(fù)查，相關(guān)參數(shù)均符合軸承設(shè)計通用規(guī)范，且與同類發(fā)動機(jī)用軸承參數(shù)等級相當(dāng)。軸承保持架選用40CrNiMoA 材料，其余選用Cr4Mo4V 材料，均為應(yīng)用廣泛的成熟材料。且該軸承已通過多臺整機(jī)持久試車，因此可以排除結(jié)構(gòu)設(shè)計X1、結(jié)構(gòu)參數(shù)X2、選材X3 方面的設(shè)計問題。

2.2.2 制造問題

軸承廠家對同批次所有軸承進(jìn)行了工藝及工藝規(guī)程復(fù)查，該軸承在制造過程中嚴(yán)格按照工藝程序進(jìn)行加工，未發(fā)現(xiàn)差超及其他異常情況，且工藝規(guī)程符合設(shè)計要求。根據(jù)對外圈、內(nèi)圈、滾子及保持架進(jìn)行能譜分析、金相組織檢查以及硬度檢測，結(jié)果表明軸承材料及熱處理等符合設(shè)計加工要求。因此可以排除超差X4、缺陷X5、工藝X6方面的制造問題。

2.2.3 使用條件異常

圖1 軸承失效故障樹

通過復(fù)查整機(jī)記錄，轉(zhuǎn)子不平衡量、前支點(diǎn)同軸度等均滿足設(shè)計要求。復(fù)查試驗數(shù)據(jù)，試驗嚴(yán)格按照載荷譜進(jìn)行加載，試驗過程中未發(fā)現(xiàn)振動異常及失速、喘振等現(xiàn)象，軸承載荷在允許的范圍內(nèi)。分解后，對滑油噴嘴進(jìn)行了流量試驗，滿足設(shè)計要求，且試驗過程中，對滑油壓力和滑油溫度進(jìn)行了監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)異常情況。因此可以排除潤滑不當(dāng)X6 和載荷異常X7 兩方面的使用條件異常問題。

2.2.4 安裝不當(dāng)

該發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子采用2-0-0 的支撐形式，為懸臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，失效軸承為前軸承，承受轉(zhuǎn)子全部軸向載荷和部分徑向載荷。軸承內(nèi)圈用鎖緊螺母固定，外圈端面靠軸承蓋板通過三個螺釘擰緊在機(jī)匣上固定，從而實現(xiàn)軸承的軸向定位和防止外圈周向轉(zhuǎn)動的目的。軸承座后段以過盈配合的方式固定在機(jī)匣內(nèi)，采用組合加工的方式保證端面齊平。裝配相關(guān)見圖2。

圖2 前支點(diǎn)滾子軸承裝配關(guān)系圖

（1）軸承裝配復(fù)查。對軸承的裝配工藝進(jìn)行了復(fù)查，其裝配過程符合工藝規(guī)定要求。復(fù)查鎖緊螺母擰緊力矩和軸承蓋板三個螺釘擰緊力矩，符合設(shè)計規(guī)定。復(fù)查了前支點(diǎn)軸承的配合關(guān)系，均符合設(shè)計要求。因此，可以排除軸承安裝不當(dāng)問題X8。

（2）軸承座安裝不到位。復(fù)查軸承座與機(jī)匣的配合，徑向配合符合設(shè)計要求，但在軸承座裝配軸承位置，有較為明顯的軸向磨痕。裝機(jī)時，軸承座前端面與機(jī)匣端面齊平，故障后通過計量發(fā)現(xiàn)，軸承座往后移動了0.2mm，見圖3。

圖3 軸承座裝配圖

通過顯微鏡檢查軸承蓋板發(fā)現(xiàn)，軸承蓋板與軸承外圈的配合面呈現(xiàn)不均勻的接觸印痕。其中3/4 圈接觸痕跡明顯，并可見明顯的微動磨損特征，1/8 圈接觸痕跡位于中心孔斜面處，其對面1/8 圈無接觸痕跡。檢查與軸承蓋板接觸的軸承外圈端面，其接觸痕跡與軸承蓋板痕跡吻合。

從上述現(xiàn)象分析，在試驗過程中軸承座往后移動了0.2mm，軸承外圈后移，軸承蓋板壓偏，軸承受力不均，最終失效。因此，軸承座安裝不到位X9 不能排除。

3.故障定位與機(jī)理分析

根據(jù)對故障原因的排除及分析，軸承設(shè)計問題、制造問題、使用條件異常均已排除，軸承座安裝不到位為引起軸承失效的原因。其失效機(jī)理分析如下：

發(fā)動機(jī)在工作過程中，轉(zhuǎn)子軸向力向前，載荷通過軸承蓋板傳遞給機(jī)匣；但在起動和停車過程中存在換向，軸向力向后，載荷通過軸承座傳遞給機(jī)匣。因軸承座未裝配到位，在試驗中，受軸承蓋板預(yù)緊力和向后的軸向力的反復(fù)作用，軸承外圈帶動軸承座逐漸往后移動，直到軸承座端面與機(jī)匣貼合。軸承外圈往后移動，使得軸承蓋板變形量減小，三個螺釘對軸承蓋板的壓緊力減小；工作過程中，因三個螺釘與軸承蓋板三個通孔之間具有較大的間隙，受整機(jī)振動和交變軸向力的作用，軸承蓋板下沉；同時由于軸承外圈與軸承座為間隙配合，軸承外圈在向前的轉(zhuǎn)子軸向力作用下前移，導(dǎo)致軸承蓋板下部區(qū)域與軸承外圈端面倒角接觸，受軸向力和螺釘?shù)睦o力的作用，軸承蓋板變形不均，出現(xiàn)軸承蓋板局部與軸承外圈無接觸，軸承外圈端面接觸不均導(dǎo)致其出現(xiàn)一定的偏斜，使得軸承受力不均，滾子與外圈、滾子與內(nèi)圈之間的磨損加劇，隨著工作時間的增加，最終導(dǎo)致軸承磨損失效。

4.改進(jìn)措施及驗證

4.1 改進(jìn)措施

（1）增加軸承座裝配工藝檢查，保證軸承座裝配到位。

軸承座正常裝配過程為機(jī)匣加熱后，將軸承座安裝到機(jī)匣中心孔內(nèi)，再進(jìn)行組合加工，保證軸承座端面與機(jī)匣端面齊平。實際裝配過程中，因不同合金熱脹冷縮系數(shù)不同，會導(dǎo)致回溫過程中應(yīng)力釋放后產(chǎn)生間隙。通過計算，軸承座與機(jī)匣恢復(fù)室溫后最大間隙為0.215mm。

針對上述分析，提出如下改進(jìn)措施：

1）設(shè)計保壓工裝，防止機(jī)匣與軸承座在回溫過程中應(yīng)力釋放后間隙的產(chǎn)生。

2）增加檢查手段，在軸承座裝配后組合加工前后，增加檢查軸承座端面與機(jī)匣端面的高度差，使其在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（2）改進(jìn)設(shè)計和工藝，保證軸承蓋板與軸承外圈均勻接觸。

因裝配過程未增加同心的檢查，無法保證軸承蓋板是否壓偏。因此采用專用裝配夾具保證前軸承蓋板的裝配同軸度為0.1 以內(nèi)，以確保裝配后，軸承蓋板與軸承貼合的接觸面可以布滿整個圓周方向，避免軸承受力不均。

4.2 驗證

對幾臺進(jìn)行了長試的整機(jī)以及外場試飛返廠檢查的多臺整機(jī)進(jìn)行了復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)軸承座明顯下沉現(xiàn)象，測量軸承座與機(jī)匣端面高度差，在0.02mm 以內(nèi)；復(fù)查軸承蓋板壓痕，未出現(xiàn)明顯的壓偏痕跡。貫徹改進(jìn)措施的整機(jī)，交付外場試飛，單臺累計運(yùn)行了200h 以上，未出現(xiàn)軸承失效現(xiàn)象。由此可證明，改進(jìn)措施是有效的。

5.結(jié)論

本文針對該發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)滾子軸承失效問題，建立了故障樹，通過逐條排查分析確定了失效原因為軸承座安裝不到位。通過對軸承座安裝不到位的原因進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)措施，并從設(shè)計上分析了其他可能存在的隱患，進(jìn)行了改進(jìn)。通過驗證表明改進(jìn)措施有效。