航空發動機加力泵斜盤軸承內罩凸出故障分析及預防

閆冬，胡燕鳴，郭欣達，王洪

(1.空軍駐安順地區軍事代表室，貴州 安順 561000；2.貴州天馬虹山軸承有限公司，貴州 安順 561000)

某型航空發動機試車到270 h時出現加力接不通故障，分解檢查發現，加力泵中心油濾、偏心輪、進口油濾、柱塞孔、轉子腔等處均有金屬屑，轉子組件柱塞全部卡死在下死點處，加力泵無法正常工作。為此，采用故障樹分析方法對故障原因進行研究。

1 故障現象

故障軸承為推力球軸承，主要由軸圈、座圈、鋼球、保持架和內罩構成,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嚴重磨損，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取出后觀察發現，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 軸承殼體內徑和底部

軸承軸圈與內罩接觸并留下明顯摩擦痕跡(圖5)，軸承內罩凸出座圈端面，二者之間出現一周不等距間隙(圖6)。

圖5 軸承軸圈與內罩接觸摩擦

圖6 軸承內罩凸出座圈端面

分解斜盤軸承檢查發現，內罩鎖口邊緣出現沿圓周方向的磨損亮帶，露出金屬材料基體(圖7)，內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 軸承內罩鎖口邊緣磨損

圖8 內罩與座圈端面接觸部位亮痕

2 故障原因分析

斜盤軸承內罩凸出座圈端面問題是分析該起發動機加力接不通故障的關鍵。由于該問題極具偶然性，無法進行故障再現，因此采用故障樹分析法進行分析[1-4]。把斜盤軸承內罩凸出問題作為頂事件，建立如圖9所示的故障樹。

圖9 斜盤軸承內罩凸出故障樹

2.1 軸承制造質量排查

2.1.1 原材料質量復查

經對軸承原材料進行復查，軸承零件材料均按GJB 269—1987《航空滾動軸承技術條件》進行控制，并經廠家及軸承廠檢驗合格。對故障軸承零件進行理化檢測，各項指標均合格，未發現材料缺陷。

2.1.2 生產過程復查

該軸承為成熟產品，軸承零件均為批量生產，生產工藝穩定，經查故障批軸承零件生產情況及過程質量記錄，加工質量穩定，無異常。對故障軸承零件進行金相和硬度檢測，結果符合GJB 269—1987要求，熱處理質量穩定。

2.1.3 壓裝過程復查

軸承內罩壓裝分為預壓罩和整體壓罩兩步：預壓罩是將軸承座圈和內罩放入模具中進行壓裝，使軸承內罩壓入座圈(圖10)；整體壓罩是將完成預壓罩的軸承座圈、軸圈、鋼球和保持架組合后放入模具中進行壓裝(圖11)。為復查軸承壓裝過程，進行多次壓裝試驗，包括：將內罩斜置進行預壓罩、在軸承座圈與模具間放置異物進行預壓罩、墊斜底模進行預壓罩、調整壓力機行程進行壓裝等，均無法壓裝出內罩凸出座圈端面的軸承，因此可以排除壓裝過程導致的內罩原始凸出的情況。

1—下模；2—上模；3—內罩；4—座圈

1—上模；2—導柱；3—限位塊；4—內罩；5—軸承；6—下模

2.1.4 軸承質量復查

故障軸承可以正常旋轉，無卡滯，軸承分解后檢測軸承零件尺寸精度，除軸承工作表面及安裝配合表面磨損、變形部位外，其余各項尺寸精度符合軸承產品圖樣規定要求，軸承質量合格。

2.2 軸承設計質量排查

斜盤軸承的額定壽命為

Lh=106(C/P)/(60n)=16 667(C/P)ε/n，

式中：C為基本額定動載荷，N；P為當量動載荷，N；ε為壽命指數，根據GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》，取ε=3；n為軸承轉速，r/min。通過理論計算，該軸承在載荷最大點的壽命值遠大于加力泵使用壽命。

斜盤軸承已服役30多年，廣泛用于航空發動機燃油泵、加力泵等油泵，經過長期驗證，可以滿足油泵使用要求，軸承設計滿足要求。

2.3 軸承安裝質量排查

2.3.1 安裝過程復查

軸承座圈與軸承殼體是過渡配合，安裝軸承時將軸承壓入軸承殼體即可，加力泵轉子組件9個柱塞頭部頂緊在斜盤軸承軸圈工作斜盤面，通過鋼球傳遞壓力將軸承座圈壓緊在軸承殼體底部。安裝工藝規定用塞規檢查軸承座圈與軸承殼體底部間的間隙量不大于0.5 mm。經復查安裝過程及質量記錄，實測間隙量為0.2～0.4 mm，滿足工藝要求，安裝過程無異常。

2.3.2 發動機試車參數復查

對發動機試車參數進行復查，故障發生前各項參數均在正常范圍，亦無較大波動。軸承安裝質量問題導致的故障均發生在工作早期，不會到270 h時才出現故障，早期各項試車參數均無異常，所以可以排除軸承安裝質量問題。

2.4 異物混入排查

從分解檢查情況可以確定，金屬屑堵塞柱塞孔，轉子組件的9個柱塞全部卡死是導致加力泵不能正常工作、發動機出現加力接不通故障的直接原因。對加力泵內中心油濾、偏心輪、進口油濾、柱塞孔、轉子腔等各處的金屬屑進行能譜分析，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。

2.5 運輸過程排查

該發動機試車至250 h左右時曾進行過轉廠，后又繼續進行試車。借鑒以往經驗，曾有發動機轉廠過程中，由于拆卸安裝、搬運裝箱以及交通路況不好等因素影響，產生振動，出現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，操作者拆卸軸承時采用敲擊振動的方式，因此，存在外部振動致使軸承脫離軸承殼體底部的可能性。

3 故障機理分析

斜盤軸承內罩的主要作用是連接軸承座圈和軸圈，確保軸承在運輸、安裝時不會發生散套問題。正常工作情況下，軸承軸圈被柱塞頭頂緊，內罩不會與其接觸。一旦軸承座圈脫離軸承殼體底部，軸承就會產生偏斜，柱塞頭在軸圈斜盤面上的頂緊力會變得不均勻，使軸承軸圈出現受力不平衡，導致軸圈與內罩接觸，出現磨損，產生金屬屑，金屬屑進入柱塞孔，導致柱塞卡死，軸承受力越來越不平衡。系統的非正常運轉，必將導致柱塞頭表面與斜盤軸承工作表面也發生磨損，產生的金屬屑增多，使轉子組件的柱塞全部卡死。另一方面，軸承軸圈與內罩接觸產生作用力F，相對內罩與座圈接觸的固定點O點產生一個旋轉力矩M=FL(圖12，圖中L為作用力F對點O的力臂)，在M作用下，內罩逐漸脫離座圈端面，出現間隙。內罩凸出量越來越大，直至與軸承殼體底部接觸并產生相對滑動，在軸承殼體底部留下一小段明顯痕跡。

圖12 斜盤軸承內罩凸出機理圖

通過故障分析可知，故障原因為發動機在轉廠過程中產生振動因素，導致加力泵斜盤軸承脫離了軸承殼體底部，再次恢復試車后斜盤軸承與軸承殼體間出現偏斜，工作中軸承軸圈與內罩相接觸，并產生磨損。

4 預防措施

1) 加強發動機運輸過程控制

采取必要的減震保護措施，此外，在發動機運輸完成后，應采取有效的檢查手段，確保內部類似斜盤軸承這種以過渡配合安裝的軸承保持其正確的安裝位置。

2) 加強軸承內罩與軸圈間隙的控制

軸承內罩與軸圈異常接觸并發生磨損是金屬屑產生的直接原因，為進一步提高軸承可靠性，避免軸承內罩與軸圈的異常接觸，還要加強對軸承內罩與軸圈間隙量控制，合理確定內罩壓裝后的鎖口開口尺寸，同時加強軸承軸向串動量的控制。

3) 加強軸承安裝質量控制

為避免類似問題發生，更要加強軸承安裝質量的監控與檢查，避免軸承出現脫出殼體、偏斜等情況。