航空發動機主軸軸承質量控制研究

王　斌，曲文浩

航空發動機主軸軸承質量控制研究

王斌，曲文浩

（海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，遼寧 沈陽 110043）

航空發動機主軸軸承是航空發動機的重要部件之一，在高轉速、高負荷、高溫的條件下工作，其健康狀態直接影響發動機、飛機能否安全使用乃至飛行員的生命安全。某航空發動機主軸軸承在工廠試車后多次出現麻點、壓傷超標等早期故障，已經成為制約該型發動機科研生產任務的關鍵因素，因此，有必要對航空發動機軸承從入廠到試車后檢查的各個環節進行梳理，加強關鍵環節的過程控制。本文針對某軍用渦扇發動機主軸軸承多發性故障，結合統計工作，進行合理的過程控制，結果表明在落實主軸軸承質量控制過程后，主軸軸承報廢數量明顯減少。

航空發動機；軸承；故障；過程控制

1　前言

航空發動機主軸軸承故障是發動機典型故障之一，主軸軸承工作條件惡劣，極易發生故障。飛機在飛行過程中，如果發動機主軸軸承發生故障，輕者影響到飛行任務的完成，重者造成機毀人亡的惡劣事故［1-3］。我國航空發動機主軸軸承制造技術起步較晚，雖然在80年代后期取得了較大發展，但與歐美等航空軸承強國相比，在結構設計、軸承材料、試驗手段等方面尚有較大差距，目前，軸承試車后故障已經成為制約發動機生產交付的瓶頸問題之一，因此，對主軸軸承進行質量控制以提高軸承合格率很有必要。軸承故障種類較多，依據故障發生的原因大致可以歸結到工作條件、顆粒異物、軸承材料 3 類［4，5］。第一類主要是由于軸承惡劣的工作條件如高溫、高速、高DN值等引起，故障主要有打滑蹭傷、剝落、保持架和套圈斷裂等；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、工作表面或次表面大碳化物等夾雜物引起的損傷；第三類故障是軸承材料本身的原因。

本文針對某軍用渦扇發動機主軸軸承故障，針對發動機潤滑結構與各支點軸承的特點對軸承報廢原因進行深入研究，結合故障統計工作，對航空發動機軸承從入廠到試車后檢查的各個環節進行梳理，加強關鍵環節的過程控制，提高了軸承合格率，減少了經濟損失，在一定程度上達到了避免發動機事故的目的。

2　研究對象

某小涵道比雙軸渦扇發動機共有 5 個支點。發動機的高、低壓轉子用 5 個支點支承，其中高壓轉子支承形式為1-0-1，即前端以高壓壓氣機前軸頸支承在No.3球軸承上，后端以高壓渦輪后軸頸支承在No.4滾子軸承上，且No.4滾子軸承為高、低壓渦輪軸間軸承；低壓轉子支承形式為1-1-1，即前端以風扇一級盤前軸頸支承在No.1球軸承上，中部以風扇后軸頸支承在No.2滾子軸承上，后端以低壓渦輪軸后軸頸支承在No.5滾子軸承上，如圖 1 所示。

圖1　 發動機轉子和支點示意圖

經統計，No.2、No.4、No.5滾子軸承報廢數量較多，且麻點壓坑故障均是工廠試車后軸承報廢的主要原因，因此對該故障進行深入研究與防控是改善軸承報廢狀態的主要方向。

麻點故障形貌為黑色細小點狀凹坑，直徑一般在0.2mm以下，如圖 2 所示，表面拋修后呈縱深形分支狀擴散。麻點故障損壞軸承滾動表面的粗糙度，并且也降低了軸承的使用性能與防銹性能，同時該故障軸承如繼續使用，麻點還會繼續擴展轉變成更大的故障。而壓坑故障是滑油系統中金屬異物或砂粒等非金屬黑色物質壓傷造成，較大的壓坑造成軸承不能繼續使用而報廢。壓坑形貌一般為圓形凹坑，一般沒有麻點故障的擴展特性，但有集中發生特性，會出現大壓坑邊緣有小壓坑的現象，如圖 3 所示，一般為異物較多或較大異物經過擠壓后碎裂壓成小坑造成，繼續擠壓形成多個壓坑。

3　故障分析

圖2　滾道麻點故障

圖3　滾子壓坑故障

由于軸承制造問題造成的軸承故障幾率較小，同時限于專業限制，重點對裝配過程控制問題產生的故障進行分析。

結合發動機結構特點，產生軸承麻點、壓坑故障的原因主要有幾個方面［6，7］：

一方面為銹蝕。由于生產軸承的材料為軸承鋼，含碳量高，易氧化，存放過程的空氣氧化是產生銹蝕的一個主要因素；赤手接觸軸承，由于手上產生的汗液中含有水分與鹽，形成電離反應，加速氧化作用；試驗或工作的滑油、潤滑脂中含有水分也會造成軸承銹蝕現象，銹蝕較深或工作過程中擴散形成麻點故障，一般此類麻點向基體有較深的縱向延展。

另一方面為異物壓傷。由于滑油系統中黑色異物在軸承工作時壓傷軸承。某型發動機由于滑油系統的特點，存在黑色異物的原因有如下幾類：

（1）封嚴面磨損掉落。該發動機大部分采用的是空氣封嚴結構，密封面為蜂窩狀涂層，在工作中存在磨損。蜂窩表面是采取電火花加工形成的，蜂窩的表面存在金屬材料融化的顆粒與金屬氧化物；涂層為金屬或金屬化合物的粉末，磨損掉落后的材料硬度較高。

（2）空氣系統的涂層粉末或異物。太行發動機空氣系統大量采用了涂層材料密封，發動機工作時葉尖與涂層刮磨下來的粉末順空氣進入封嚴部位，進入滑油系統；空氣系統機件如導向葉片加工過程中使用吹砂工藝，砂粒很容易形成殘留。

（3）涂層加工過程切屑殘留。為保證封嚴環的同軸度，No.3、No.5軸承封嚴環為組合后加工，加工時采取一定的保護措施，但由于結構限制，涂層切屑易殘留在滑油腔中。

（4）導管中均在砂粒。導管加工過程折彎時采取填充物方式保持導管材料延展不產生局部凹陷。12mm以下的導管采用灌入松香方式，12mm以上采用灌入砂子的方式，砂子在管路折彎后形成了靜電吸附作用，不易清除，進入滑油系統造成軸承壓傷；在管路與接頭焊接后，表面焊道處理時采用了砂紙打磨方式，也很容易造成金剛砂殘留問題。砂紙中的金剛砂表面含有粘接劑，也是較難清除的多余物。

（5）鑄造表面砂子殘留與表面氧化物脫落也是造成滑油系統異物的一個方面。

去除銹蝕造成軸承麻點故障的因素外，造成軸承麻點、壓坑故障的原因主要是滑油系統中存有多余物造成，經過長時間的跟蹤，主要原因為發動機的一些機件結構復雜，容易藏匿異物，包括加工金屬屑、打磨使用的砂紙上掉落的金剛砂、工藝輔料等，如中介機匣滑油管與傳動桿通過的腔中在加工過程中易存在金屬屑與金剛砂殘留，在工作中異物直接進入中軸承腔，給No.2滾子軸承和No.3球軸承帶來極大隱患。

4　軸承工作流程分析

軸承廠內周轉工作流程如圖 4 所示，對管理過程中存在的問題的環節進行分析。

圖4　軸承廠內周轉工作流程圖

軸承入廠需要對軸承質量進行入廠檢查，檢查過程中需要對軸承主要尺寸、軸承游隙、軸承表面質量進行檢查。軸承尺寸檢查需要送計量中心，軸承游隙在工廠軸承測量間進行，軸承表面質量檢查需要送故檢班組。軸承質量檢查至少經過三個部門，其中的人員操作、油封防銹管理等方面存在不確定因素，對軸承存在管理隱患。

工廠試車后仍然需要對軸承質量進行檢查，檢查過程中需要對軸承主要尺寸、軸承游隙、軸承表面質量進行檢查。軸承尺寸檢查需要送計量中心、軸承游隙在工廠軸承測量間進行、軸承表面質量檢查需要送故檢班組，與入廠一樣的流程走一遍。

經過調研同類工廠，針對軸承專項工作要在專業的工作區域，有專業人員進行。同時不必多處周轉，工作完成后軸承真空包裝，裝配時只需打開包裝就可以直接裝配，也省卻了裝前使用汽油清洗的工序。

5　質量控制過程

主要控制措施有以下幾個方面：

（1）相關軸承操作的清潔度控制

接觸軸承必須戴絹布手套，無包裝軸承運輸過程使用木質專用盒，盒內要鋪有麂皮，不能與其它零件混放，防止軸承污染與磕碰。涉及軸承的零件裝前汽油清洗，其余工裝保證清潔，對心棒飛邊進行修磨，確保不產生多余物。工作中要保持工作臺案清潔，不能存在顆粒狀異物。

（2）滑油清潔度控制

加強對試驗器油品的監控，提高滑油清潔度，沖洗試驗器要能夠實現良好的沖洗效果與滑油清潔度的控制效果，提升機件沖洗效果，提高滑油系統清潔度。滑油沖洗機將滑油定期過濾、更換，油箱定期清洗，油濾定期清洗，滑油定期檢測油品質量，滑油清潔度要保證在發動機滑油清潔度控制要求范圍內。

6　方案實施成果分析

方案實施后某主軸承單臺報廢率由56.56%下降到47.06%，過程控制質量明顯提高，說明控制措施效果良好。但統計方案實施后某年主軸承報廢情況，各月軸承報廢率差異較大，不能趨于穩定區間，如圖 5 所示。可見全年軸承過程控制質量有所提高，但質量水平并不穩定，仍需要持續改進控制過程，對過程規范性與技術能力提高方面進行系統改善，將軸承過程控制質量穩定在較高水平。

圖5　某年主軸承各月報廢率統計圖

7　結束語

本文針對某軍用渦扇發動機主軸軸承故障幾率較高的壓坑、麻點現象，從發動機潤滑結構與各支點軸承的特點出發，對軸承報廢原因進行深入研究，通過對航空發動機軸承從入廠到試車后檢查的各個環節進行梳理，加強關鍵環節的過程控制，提高了軸承合格率，減少了經濟損失，達到了在一定程度上避免發動機事故的目的。

［1］ Harris TA，Kotzalas M N. 滾動軸承分析［M］.羅繼偉，馬偉，等譯.北京：機械工業出版社，2010.

［2］ 萬長森.滾動軸承的分析方法［M］.北京：機械工業出版社，1987.

［3］ 周志瀾，馬純民，等.航空發動機主軸軸承失效分析與預防［M］.北京：科學出版社，1998.

［4］ 張棟，鐘培道，陶春虎等.失效分析［M］.北京：國防工業出版社，2004. 51-65.

［5］ Harris TA， Kotzalas MN.滾動軸承分析［M］. 羅繼偉，馬偉，等譯.北京：機械工業出版社，2010.283-286.

［6］ 周志瀾，馬純民等.航空發動機主軸軸承失效分析與預防［M］.北京：科學出版社，1998.133-137.

［7］陶春虎.航空發動機轉動部件的失效與預防［M］.北京：國防工業出版社，2000. 215-224.

（編輯：林小江）

Quality control study of aircraft engine spindle bearing

Wang Bin，Qu Wenhao
（ Navy Engine Professional Military Delegate Office 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 trail 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 comb each link from the aircraft engine spindle bearing into the factory to post- inspection， and strengthen key process control. This article aims at the problem of the military turbofan aircraft engine spindle bearing fault， and carries on the reasonable process control for multiple faults with the help of statistical work. The results show that spindle bearing scrap quantity is decreased significantly after the implementation of the aircraft spindle bearing process control.

aircraft engine； bearing； fault； process control

TH133.33+1，TH133.33+2

B

1672-4852（2016）03-0009-03

2016-08-18.

王斌（1978-）男，工程師.