某航空發動機止推軸承故障分析

黃宇生，黃玉凌，王欣欣，舒 毅

(1.長沙航空職業技術學院 航空機電設備維修學院，長沙 410124；2.中國人民解放軍第四七二三工廠，河北 邯鄲 311826)

0 引言

軸承是發動機的重要旋轉部件，起著支撐和傳動的作用[1]。軸承的工作環境惡劣，故障類型多，危害性較大[2]，常見的故障有滾道磨損、滾道劃傷、滾動體剝落、保持架開裂、斷裂等[3]。軸承故障影響發動機的壽命、工作安全性和可靠性，輕則導致發動機報軸、斷軸，產生嚴重振動，重則導致發動機空中停車，甚至引發飛行事故[4-7]。導致軸承失效的因素復雜多變，由于工作環境和失效程度的差異，產生的失效形式影響各不相同[8-9]。

因此，在航空發動機維修過程中，開展軸承的故障診斷與分析研究，統計軸承發生的各類故障[10]，有效地分析各種故障產生的原因，針對性地提出預防和工藝改進措施，建立軸承修理數據庫，對軸承的快速有效維修、提高發動機修理質量、降低修理成本和縮短發動機修理周期，以及保證發動機的安全和可靠運行具有重要意義[11]。本文從某型航空發動機止推軸承的外觀檢查、尺寸測量、裝配工藝和理化檢測等入手，分析了故障的產生機理和原因，提出了相應的預防和改進措施。

1 故障情況

某型發動機外廠滑油光譜檢查時，發現Fe元素、Cr元素超標，實測Fe元素含量20.4ppm(告警值7.8ppm)，Cr元素含量1.7ppm(告警值1.3ppm)。但磁性金屬檢屑器上僅有少量金屬屑，未見明顯異常。分解高壓滑油濾，用煤油清洗油濾后，使用吸鐵棒從清洗的煤油中吸附出大量金屬屑。由于影響了發動機的正常使用，發動機返廠排故。

分解發動機低壓轉子和高壓轉子，發現低壓轉子軸軸承輔助列保持架磨損、裂開和掉塊，如圖1和圖2所示。滾動體磨損和剝落，如圖3所示。軸承腔內有大量金屬屑積聚，并在空氣管內腔存在大量細末狀金屬屑。其它軸承外觀未發現異常。

圖1 輔助列內滾道損傷

圖2 輔助列保持架裂開及掉塊

圖3 滾動體剝落

將高速齒箱、低速齒箱、輔助齒箱、內齒箱、主滑油泵、前軸承滑油泵分解至零組件狀態，均未見異常。分別收集故障軸承、故障軸承附近零件、高壓滑油濾殼體和濾芯上的金屬屑，送理化中心進行理化分析。分析結果表明，金屬屑主量元素成分近似軸承鋼材料Cr4M04V。通過檢查發動機維修記錄，發動機發生故障前的大修無軸承修理記錄，定檢無異常，故障發生時發動機的剩余壽命占本次壽命期約20%。

2 軸承故障分析與討論

2.1 軸承結構分析

某型發動機低壓轉子軸為止推滾珠軸承，軸承分主列和輔助列。主列和輔助列共用一個內圈，軸承的內圈壓裝在中介軸上，并用花鍵螺母1和杯形墊圈固定在軸上。外圈壓裝在高壓轉子后軸的內圓柱面上，輔助列在前。主列在后，輔助列前有調整墊圈，墊圈前為預緊彈簧，在裝配時通過控制花鍵螺母2的裝配力矩，使預緊彈簧發生壓縮變形，給軸承輔助列提供一個幾千牛頓的軸向預緊力，軸向預緊力通過輔助列傳遞到主列，從而預防軸承主列輕載打滑，減小內圈、外圈、滾珠和保持架產生磨損，如圖4所示。

圖4 軸承結構原理圖

*注：1.花鍵螺母；2.花鍵螺母；3.預緊彈簧；4.調整墊圈；5.高壓后軸；6.導管；7.輔助列軸承；8.主列軸承；9.中介軸

2.2 受力分析

發動機高壓轉速低于83%時，此時發動機的軸向力方向為向前，即故障軸承主列受到向前的力作用，使得軸承輔助列同樣受一個向前的作用力，而為了保持故障軸承主列一直存在一個向后的力作用，預緊彈簧提供的預緊軸向力應比轉子的軸向力大，確保故障軸承的主列受到向后的力作用，此時預緊彈簧處于最大壓縮狀態。發動機高壓轉速高于83%時，此時發動機的軸向力方向為向后，即故障軸承主列受到向后的作用力。此時預緊彈簧提供的預緊軸向力最小，預緊彈簧處于最小壓縮狀態。

2.3 尺寸檢測

2.3.1 配合尺寸

測量軸承輔助列內圈、外圈與中介軸的配合尺寸、調整墊圈和預緊彈簧尺寸。由于輔助列滾子及內外滾道表面磨損比較嚴重，無法準確計量，未測量滾子實際尺寸及軸承實際游隙值。檢測尺寸數據見表1、表2，由復測尺寸可以看出，故障主軸承的主列及輔助列直徑尺寸存在不同程度的超差，最大超差項為內圈內徑超0.021mm。根據故障軸承與中介軸承的配合尺寸數據，內圈內徑與中介軸的配合尺寸符合要求，內圈內徑尺寸超差不影響軸承的正常使用。

表1 故障軸承尺寸測量情況

表2 故障軸承與中介軸承配合尺寸檢測情況

2.3.2 預緊彈簧尺寸檢測

重新測量預緊彈簧的翹曲度及高度值，如表3所示。

表4統計了9臺維修的發動機預緊彈簧翹曲度、高度值變化情況。由表4可知，預緊彈簧隨著發動機的使用，性能均存在不同程度的變化。其中約33%的變化量為負(預緊彈簧翹曲度變小，性能變好)，變化范圍為-0.17～0mm；有約67%的變化量為正(預緊彈簧翹曲度變大，性能變差)，變化范圍為0～+0.21mm。因此預緊彈簧的翹曲度隨著發動機使用時間變化無固定規律；而以上統計的預緊彈簧高度值均符合設計圖紙要求，且未發生過故障軸承輔助列剝落故障。

表3 預緊彈簧測量數值表

表4 大修及排故發動機預緊彈簧翹曲度及自由高度值變化表

表5對比了同樣出現軸承輔助列剝落故障的發動機預緊彈簧尺寸情況。從數據可知，兩臺出現故障軸承輔助列剝落故障的預緊彈簧翹曲度變化量相當，且兩臺預緊彈簧均存在尺寸變小的情況。由此可以推斷，在預緊彈簧高度值滿足要求的情況下，預緊彈簧翹曲度發生變化不能構成導致軸承腔出現大量金屬屑故障的充分理由。

2.4 宏觀檢查

2.4.1 主列檢查情況

軸承主列內圈顏色發烏，主列外圈及滾珠顏色較光亮，無異常。主列保持架內側邊，圓周呈黑色，表面有摩擦擠壓痕跡，兜孔表面有一定程度的摩擦擠壓痕跡。

2.4.2 輔助列檢查情況

圖5 外圈剝落爬坡局部形貌

圖6 內圈剝落局部形貌

圖7 滾動體變形

軸承輔助列外圈滾道圓周有爬坡現象，爬坡部位呈摩擦擠壓特征，滾道邊卷邊，如圖5所示。輔助列內圈滾道一側邊沿圓周局部有剝落，滾道上有周向劃痕，如圖6所示。輔助列滾珠磨損變形，部分滾珠磨損呈錐形，該類磨損形態系滾珠輕載打滑所致，如圖7所示。

2.4.3 調整墊圈檢查情況

軸承調整墊圈表面有一道沿圓周一周的損傷溝痕及磨損痕跡，通過體視鏡放大觀察，系摩擦擠壓損傷。

2.4.4 預緊彈簧檢查情況

兩預緊彈簧墊圈中心孔附近配合面有沿圓周溝痕；外圓配合面有沿圓周溝痕，溝痕均為摩擦擠壓痕跡。

2.5 故障軸承理化分析常規檢查

2.5.1 硬度分析

檢測故障軸承組件套圈及滾珠硬度，內圈硬度為61.2HRC，外圈硬度為60.8HRC，輔助列滾珠硬度為61.3HRC。JB/2850—2007要求是套圈60～65HRC、鋼球61～66HRC，均符合國軍標要求。

2.5.2 金相分析

分解故障軸承組件，沿軸向取金相樣本，制備后金相顯微觀察。軸承輔助列滾珠表面有白層，結合滾珠磨損情況判斷，滾珠表面白層系摩擦造成的燒傷；滾珠基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求。套圈內圈基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求；內圈表面未見燒傷。軸承輔助列外圈基體顯微組織為正常的淬回火組織，符合YB/T2805要求；外圈表面未見燒傷，但存在局部塑性變形及摩擦擠壓形成的折疊。

2.5.3 顯微分析

圖8 輔助列外圈滾道表面損傷

圖9 輔助列內圈滾道表面剝落

圖10 主列內圈滾道剝落與劃痕

軸承輔助列外圈滾道沿圓周有爬坡現象，表面呈鱗片狀的摩擦擠壓形貌，有沿軸向的小裂紋、擠壓折疊和剝落等損傷痕跡，如圖8所示。軸承輔助列內圈滾道邊圓周局部有片狀剝落，剝落形成小凹坑，坑內呈摩擦擠壓形貌，坑邊有小裂紋，滾道沿圓周有明顯的劃痕，如圖9所示。軸承主列內圈滾道表面有顯微剝落，剝落形成小麻坑，局部有沿圓周劃痕，如圖10所示。

經上述掃描電鏡顯微觀察，軸承輔助列套圈滾道剝落屬起源于表面的滾動接觸疲勞剝落，軸承主列內圈滾道剝落屬于顯微剝落。

2.5.4 保持架斷口分析

將保持架掉塊斷口放入掃描電鏡顯微觀察，疲勞源區位于保持架內側表面兜孔邊，表面起始、點源、源區有毛邊及碰磨痕跡，未見材料及冶金缺陷。疲勞區平坦，擴展充分，可見疲勞條帶特征及疲勞弧線特征，瞬斷區較小，約占斷口面積的1/8，顯微形貌為韌窩特征。保持架斷口形貌如圖11～圖16所示。

圖11 保持架斷口形貌

圖12 保持架斷口源區顯微形貌

圖13 擴展區疲勞條帶

圖14 擴展區疲勞弧線

圖15 瞬斷區顯微形貌

圖16 瞬斷區韌窩形貌

2.6 故障結論及原因排查

綜上所述，故障軸承組件故障主要表現為輔助列保持架疲勞斷裂、輔助列滾珠磨損變形、套圈滾道滾動接觸疲勞剝落等，集中于軸承輔助列。而軸承主列內圈滾道有相對較輕的顯微剝落，與軸承輔助列磨損剝落后潤滑性能降低有關。軸承輔助列滾珠變形導致保持架受力不均勻，保持架兜孔邊被摩擦擠壓成尖銳毛邊，萌生疲勞裂紋，最終導致保持架疲勞斷裂。

軸承顯微組織及硬度正常，符合標準要求。軸承內圈滾道表面未發現燒傷現象，滾道表面未見腐蝕、外來物嵌入等現象，可排除材質、潤滑不良、腐蝕及外來物嵌入等因素導致軸承磨損剝落。滾珠在內圈滾道爬坡造成滾道磨損，從而導致滾道滾動接觸疲勞剝落。故障原因排查如下：

(1)潤滑冷卻不良。軸承各部位未見變色等形貌，對中心滑油管進行流量試驗，測試結果無異常，排除軸承潤滑冷卻不良因素導致故障。

(2)軸承質量問題。經故障件金相檢查，軸承顯微組織及硬度正常，符合標準要求。同時該套軸承已使用一千多小時，軸承質量問題因素排除。

(3)軸承載荷異常。失效的故障軸承是低壓止推球軸承輔助列，只受到預緊軸向力的作用，故預緊軸向力的大小決定了輔助列是否能夠正常工作。通過對故障件的理化分析，得出導致故障軸承輔助列剝落的故障原因為輔助列鋼球出現輕載打滑，即輔助列軸承受到的預緊軸向力偏小，同時結合預緊彈簧尺寸檢測及其他發動機預緊彈簧尺寸統計分析，排除軸承載荷異常因素。

(4)外來物進入問題。通過分解檢查。未發現外來物或雜質，對收集到的金屬屑進行能譜分析，結果顯示金屬屑成分接近Cr4Mo4V材料成分，未見異常金屬元素，因此排除污染物進入情況。

(5)軸承裝配問題。復查裝配工藝，與原廠工藝規范一致；復查新機裝配的檢驗記錄，無異常情況。復查軸承裝配過程，由于花鍵螺母擰緊是采用力矩扳手而不是限力扳手，這就導致在裝配過程中可能由于人為因素出現裝配力矩不足的問題，故無法排除軸承裝配問題。

(6)腐蝕問題。通過失效軸承的理化分析，未見腐蝕形貌，可以排除軸承腐蝕因素。

(7)軸承配合尺寸不合格。查閱裝配原始記錄，未發現軸承尺寸及游隙存在異常情況，可以排除軸承游隙不合格問題。

通過對滾子軸承剝落故障的以上因素進行分析，除軸承裝配問題外，其余因素均可排除。

3 故障的發生機理及預防措施

結合發動機故障軸承裝配結構、受力分析及相關尺寸檢測情況分析，當發動機高壓轉速大于83%時，由于軸向力的換向，導致預緊彈簧此時處于最小壓縮狀態，提供的預緊軸向力最小。若花鍵螺母的裝配力矩不足，將導致預緊彈簧提供的預緊軸向力變小，造成預緊彈簧和調整墊圈發生相對運動，使得故障軸承輔助列出現輕載打滑及爬坡故障。若輔助列滾珠出現輕載打滑，將導致保持架受力不均勻、兜孔邊磨損，從而使保持架疲勞斷裂。

由于預緊彈簧和調整墊圈均存在不同程度的周向磨損，預緊彈簧及調整墊圈存在周向運動，即在運轉過程中預緊彈簧、調整墊圈和故障軸承出現松動現象。花鍵螺母裝配力不足是造成該松動現象的主要原因。隨著發動機使用時間的增加，滾珠在內圈滾道爬坡會造成滾道磨損，最終導致輔助列保持架出現疲勞斷裂，滾道滾動接觸產生疲勞剝落。

基于以上分析可以得出，該套軸承的失效機理為花鍵螺母裝配力矩不足，造成預緊彈簧提供的預緊力不足，導致故障軸承輔助列出現輕載打滑及爬坡故障，使軸承輔助列保持架斷裂和滾道剝落。

為了避免該故障再次產生，需完善某型航空發動機直推軸承的裝配流程及檢驗制度。嚴格執行花鍵螺母的裝配力矩，將花鍵螺母2的裝配工序調整為關鍵工序，執行自檢、互檢和專職檢驗的三檢工序。對此工序應定員、定崗，確保裝配質量穩定、可靠。每次大修或檢修，應測量并記錄預緊彈簧的尺寸及性能參數。及時發現存在的潛在故障，并采取適當的預防性修理措施，以便于總結預緊彈簧使用后的性能衰減情況。通過研究其性能衰減與高度值變化的關系，舉一反三，避免類似故障發生。

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