航空發動機主軸軸承滑蹭故障分析

王 斌，樊照遠

（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滑蹭故障分析

王 斌，樊照遠

（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，其可靠性及壽命直接影響發動機、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完成的關鍵因素，因此，有必要對該軸承典型故障進行深入分析。針對某軍用渦扇發動機No.3支點軸承滑蹭故障，從軸承的工作機理出發，結合故障統計及對比測量等分析工作，深入分析了主軸軸承的故障原因，確定了排故措施，不僅提高了發動機工作的可靠性及壽命，并且對新型軸承的研制也具有一定指導意義。

航空發動機；軸承；對比測量；故障分析

1 前言

航空發動機主軸軸承是發動機的關鍵組件，工作條件惡劣，是發動機故障高發部位。飛機在飛行過程中，如果發動機主軸軸承發生故障，其后果不堪設想[1-3]。我國航空發動機主軸軸承設計技術起步較晚，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，我國航空發動機主軸軸承研制在結構設計、軸承材料、試驗手段等方面尚有較大差距，目前國內航空軸承存在的技術問題主要是尺寸穩定性差，新軸承工作面經常有劃傷、壓痕等表面損傷，同時壽命較短，這必然會對新型號發動機的研制造成一定消極影響，因此，深入研究航空發動機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，依據故障發生的原因大致可以歸結為工作條件、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子重量較輕，對軸承沒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，滾動體和保持架所受的運動阻力過大時也會發生打滑蹭傷故障。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。

本文針對某軍用渦扇發動機No.3支點軸承滑蹭故障，從軸承工作的機理出發，結合故障統計工作及對比測量分析工作，深入分析了主軸軸承的故障原因，確定了排故措施，不僅保證了發動機正常的生產交付任務，還提高了發動機工作的可靠性及壽命。

3 研究對象

某小涵道比雙軸渦扇發動機經常出現No.3支點軸承工作表面滑蹭故障，但因其機理比較復雜，一直以來沒有得到較好地解決。該軸承為雙半內圈角接觸球軸承，裝于高壓轉子前支點，承受來自高壓的軸向力和部分徑向力，如圖1所示。No.3支點軸承外圈安裝在中介機匣中央錐殼體內，內圈安裝在主動錐齒輪軸頸上，通過套齒實現高壓轉子前支點傳動，潤滑方式為環下供油，裝配位置如圖 2 所示。軸承內圈是雙半環結構，窄半環是主承力半環；寬半環（圖中帶槽的半環）是非承力半環。

該發動機曾發生多起No.3支點軸承工作表面滑蹭故障，滑蹭一般發生在雙半套圈的一個半環滾道上，有明顯的拖尾現象，故障軸承滾動體球面的三分之一變色。當然，也有寬、窄半環同時存在滑蹭的，也有鋼球變色而內圈未滑蹭的。典型故障形貌如圖 3～圖 6 所示。

圖1 No.3支點軸承結構

圖2 No.3支點軸承裝配圖

圖3 窄半環滑蹭形貌

圖5 鋼球表面細小滑蹭痕跡

圖6 鋼球表面較大較窄的環帶變色

4 滑蹭故障分析

4.1 引發軸承滑蹭的因素分析

從軸承工作的機理分析，引發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，鋼球與兩個半內圈同時接觸，形成多點接觸。進而出現滑蹭故障。

（2）徑向游隙不足造成的多點接觸

No.3支點軸承內圈為桃形溝結構，在徑向游隙不足的情況下，會導致鋼球表面與溝道表面出現打滑蹭傷。

（3）鋼球自旋造成的滑蹭

在高速旋轉并承受一定軸向載荷的球軸承中，會產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，同時卻減少了鋼球與內圈溝道之間的作用力。內、外圈溝道上作用力的改變，會影響到鋼球與內、外圈接觸角的改變，致使外圈接觸角變小，而內圈接觸角變大。在軸向載荷一定的情況下，軸承的轉速越高，則內、外圈接觸角的差別也越大。如果內、外圈接觸角的差別很大，會影響到軸承中的摩擦狀態。由于球與外圈溝道的接觸角變小，運動方式近乎純滾動狀態；在內圈溝道上的接觸角變大，使鋼球除承受滾動力矩外還承受了一個附加力矩即陀螺力矩，該力矩將使鋼球在內圈溝道上產生自旋運動，旋轉方向為繞鋼球與內圈接觸點及鋼球中心點的連線軸旋轉，自旋轉方向使接觸副出現滑動摩擦，其結果將引起與內圈溝道接觸的鋼球表面滑蹭磨損，滑蹭面積的大小與當時的接觸角大小有關。

（4）軸向載荷過大造成的滑蹭

三點接觸球軸承在工作時，鋼球與承力內圈接觸，與非承力內圈有一個殘余間隙。當殘余間隙為零或為負值時，就會出現多點接觸，進而引起滑蹭故障。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 統計分析過程

通過對No.3支點軸承滑蹭故障發生部位統計，發現軸承寬內圈（No.3支點軸承有兩個內圈，分為寬內圈、窄內圈）發生滑蹭的概率較高，如圖 7 所示，說明軸承工作過程中出現了多點接觸現象，另外通過統計排除了發動機裝配方面的原因。

4.3 對比測量分析

為進一步探究No.3支點軸承滑蹭故障的原因，對故障軸承做進一步的對比測量分析工作。為此，分三次對不同批次故障軸承進行測量。

圖7 3支點軸承滑蹭故障發生部位統計圖

4.3.1 第一次測量

測量后有明顯差異的參數如表 2 所示。從測量結果看，故障軸承外內徑尺寸較小、外內徑橢圓度較大導致引導間隙偏下限；故障軸承外內徑粗糙度較差；內套溝曲率尺寸超差等問題可能對本故障影響較大。

表2 第一次對比測量

4.3.2 第二次測量

測量有明顯差異的參數如表 3 所示。由測量結果可見：

（1）軸承外圈溝道圓度輕度超差，內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非承力內圈、故障件 5 承力內圈曲率半徑超差，可能與本故障有關。

根據檢測情況，超差項主要集中在內圈溝道圓度和內圈曲率半徑方面，此兩項指標可能與本故障有關。

4.3.3 第三次測量

測量有明顯差異的參數如表 4 所示。由測量結果可見，軸承內圈滾道曲率半徑和墊片厚度等對軸承滑蹭問題可能影響較大。

4.4 故障分析

通過對故障件的三次對比測量，發現軸承內圈滾道曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度等對軸承滑蹭問題可能影響較大。通過軸承工作機理來看，造成滑蹭故障的原因可能為：軸向載荷不足造成的多點接觸、徑向游隙不足造成的多點接觸及鋼球自旋造成的面接觸等。通過實測發動機軸向載荷，排除了軸向載荷不足造成多點接觸的因素；通過統計軸承滑蹭發生部位，發現故障類型為多點故障，排除鋼球自旋造成面接觸的因素；最后通過三次故障軸承參數與標準值的對比分析，確定故障原因為徑向游隙不足，表現為軸承內圈滾道曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度偏離設計要求。

No.3支點軸承蹭傷故障主要原因是發動機工作過程中軸承非承載區剩余間隙偏小，使滾動體與內圈出現多點接觸導致蹭傷;還有可能與軸承制造精度不足有關,軸承制造精度不足主要表現在內圈滾道曲率半徑和墊片厚度偏離設計要求。

表3 第二次對比測量

表4 第三次對比測量

5 結束語

為解決No.3支點軸承蹭傷故障將進行以下工作：開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，主要針對軸承內圈溝曲率半徑、墊片厚度和溝道圓度尺寸控制問題開展試驗研究；裝前仔細檢查軸承表面質量，發現異常情況及時聯系廠家解決。

[1] Harris T A，Kotzalas M N. 滾動軸承分析[M]．羅繼偉，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] 羅繼偉，馬偉，等譯.滾動軸承分析[M].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：王立新）

Fault analysis of aircraft engine spindle bearing skidding damage

Wang Bin，Fan 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.