某型渦軸發動機轉子軸承失效故障分析

羅真應 唐波/國營錦江機器廠

1 故障現象

一架某型直升機飛行過程中右發出現金屬屑告警，著陸后檢查發現金屬屑信號器及滑油濾上有較多粉末狀金屬屑。按維護手冊進行檢查、清洗并更換滑油后故障現象消失，但在后續的飛行過程中再次出現金屬屑告警燈閃亮故障，著陸后檢查發現滑油濾和金屬屑信號器上又出現少量金屬屑。

2 工作原理及故障檢查

2.1 工作原理

動力渦輪在高溫高壓燃氣的作用下，通過彈性軸帶動主減速器從而帶動直升機旋翼和尾槳旋轉做功。該型發動機動力渦輪為雙級軸流式。動力渦輪支撐方式為懸臂雙支點式，前支點（Ⅳ支點）為滾珠軸承，后支點（Ⅴ支點）為滾棒軸承。如圖1 所示，Ⅳ支點固定在發動機的Ⅳ-V 支點殼體（7）的內結合盤上，由Ⅳ支點軸承座（5）、Ⅳ支點擋油圈（28）、減振環（31）、軸承襯套（32）和滾珠軸承（25）等組成。Ⅴ支點固定在Ⅳ-Ⅴ支點殼體內的后安裝邊上，由帶密封組件的Ⅴ支點軸承座（12）、Ⅴ支點擋油圈（13）、密封襯套（16）、滾棒軸承（11）等組成。

前后支點軸承的滑油腔是相通的，在滑油腔內裝有動力渦輪轉速調節器的中央傳動裝置。該傳動裝置固定在Ⅳ-V支點殼體內，是一個兩級減速的齒輪機構。主要有齒輪和滾珠軸承等組成。主動齒輪（直齒輪）裝在動力渦輪軸上，各軸承的潤滑及散熱和石墨密封裝置的冷卻是由固定在支點殼體上的噴嘴噴射滑油來完成的。油腔的密封為石墨密封，為了提高擋油效果，從壓氣機第七級處引來的高壓空氣經支點殼體上的孔進入空氣腔“Б”及腔“B”內，進行擋油。

圖1 某型發動機動力渦輪支點結構示意圖

當動力渦輪工作時，滑油腔內的零件（如減振環、齒輪、軸承等）因磨損產生的金屬屑，通過滑油系統的循環，隨滑油一起通過滑油腔底部Ⅳ-V 支點回油管被帶走。發動機的振動能量通過減振環、軸承座及Ⅳ-V 支點殼體安裝邊傳遞給機匣。

2.2 分解檢查

將發動機返廠進行分解檢查，發現Ⅴ支點軸承有異常損傷：內環滾道1/3 圓周上有兩段嚴重剝落，多處有較深的凹坑，其余工作面磨損嚴重，外環滾道、各滾棒表面存在不同程度的剝 落。

2.3 滑油光譜分析

對故障發動機分解前收集的滑油油樣與正常送修發動機收集的滑油油樣進行了光譜分析，經對比主要元素含量，未見異常。光譜分析結果見表1。

2.4 材料分析

對發動機分解前收集的金屬屑進行能譜分析，結果表明，金屬屑材質成分均與俄產8Х4В9Ф（ЭЙ-347）材料接近，能譜分析結果見表2。

2.5 軸承材料分析

對該發Ⅴ支點（軸承單機兩件，分別裝于Ⅰ支點、Ⅴ支點）進行了能譜分析，并對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ支點裝用的軸承進行了能譜分析，軸承材質屬俄產8Х4В9Ф（ЭЙ-347）軸承鋼材料，分析結果見表3。

2.6 軸承硬度對比

對該發Ⅴ支點故障軸承內環、外環、滾棒完好面進行硬度檢測，硬度值為60.5HRC ～62.0HRC；對完好的同件號軸承（Ⅰ支點）進行硬度檢測，硬度值為61.0HRC；抽取正常送修發動機裝用的兩組同件號軸承進行硬度檢測，硬度值為60.5HRC ～63.0HRC。

2.7 修理情況復查

Ⅴ支點產生金屬屑的可能原因有噴嘴孔堵塞導致潤滑不良、配合尺寸不合格導致零件異常磨損、軸承游隙不合格導致軸承異常磨損等，根據上述原因開展復查工作。

1）流量試驗

對分解下的Ⅴ支點軸承座進行流量試驗，檢查流量與發動機修理時的差異。檢查結果發現，流量為1.54L/min（修理時為1.59L/min），均在工藝要求范圍內（工藝規定為1.5 ～1.7L/min），且流量差異較小。故排除滑油潤滑不良導致零件異常磨損因素。

2）零件尺寸復查

Ⅴ支點軸承徑向間隙：因軸承損壞，無法進行軸承的間隙復查。查閱修理記錄，該軸承的徑向間隙為0.022mm（工藝規定為0.020 ～0.040mm），符合工藝規定。

支點零件的配合間隙：查閱修理記錄，直齒輪與軸之間的間隙為-0.008mm，為過盈配合；軸承內環與直齒輪之間的間隙為-0.020mm，為過盈配合；軸承座與軸承外環之間的間隙為+0.025mm，為間隙配合。具體零件尺寸及配合見表4。

復查實物尺寸：直齒輪與軸之間的間隙為-0.010mm；軸承內環與直齒輪之間的間隙為-0.025mm；具體零件尺寸見表4。因Ⅴ支點軸承外環與軸承座粘接，無法進行尺寸復查。

由以上數據可知，間隙A 和間隙В均符合工藝規定，記錄尺寸與復查尺寸不一致，系環境溫濕度影響導致的測量誤差。

表1 光譜分析結果

表2 分解前收集金屬屑能譜分析結果

表3 故障機軸承能譜分析結果

3）轉子同軸度檢查

將動力渦輪轉子Ⅲ、Ⅳ，軸承襯套，直齒輪軸等組裝后復查徑向跳動、端面跳動，均符合工藝文件規定。

2.8 技術標準分析

將直齒輪裝在自渦渦輪軸上進行裝配狀態下的尺寸測量，發現直齒輪裝在軸上的外徑尺寸為?70.000 ～ ?70.015mm，圓度為0.0075mm；該直齒輪自由狀態下，外徑尺寸為?69.980 ～ ?70.000mm，圓度為0.010mm。查閱從發動機設計制造單位授權引進的大修手冊及此前各個版本的大修手冊，對裝配狀態下直齒輪?70 尺寸的圓度均無相關控制要求。

抽查現場在修的5 臺發動機，測量直齒輪裝配狀態下的外徑圓度尺寸，圓度均不大于0.005mm，故分析故障飛機直齒輪外徑圓度尺寸偏大為偶發現象，見表5。

3 失效分析

3.1 微觀檢查

在掃描電子顯微鏡下觀察，內圈滾道剝落區低倍形貌可見鱗剝特征，進一步放大觀察可見疲勞弧線、放射線等疲勞剝落特征，見圖2。滾棒表面的典型剝落可見疲勞弧線、放射線特征，進一步觀察可見疲勞起始于亞表面，見圖3。

3.2 分析

外觀檢查看到軸承內圈滾道剝落集中在四分之一周長范圍內，外圈滾道僅有一處較小的剝落，保持架完好，22 個滾棒均有剝落特征，剝落較嚴重的滾棒端面有擠壓變形及魚鱗特征。微觀檢查內圈滾道及滾棒剝落痕跡，低倍可見鱗剝特征，高倍可見疲勞弧線及放射線特征，疲勞起始于亞表面。以上觀察結果表明軸承失效性質為接觸疲勞剝落。

3.3 分析結論

該軸承內圈安裝在動力渦輪軸的直齒輪上，外圈安裝在Ⅴ支點軸承座上，軸承最高工作轉速達15000ram/min，該軸承工作時主要承受徑向載荷。根據該軸承的工作特點及受力分析，判斷導致軸承內圈滾道局部嚴重疲勞剝落的原因可能是內圈橢圓、局部材質缺陷或加工缺陷、局部受力過大。

軸承外觀檢查看到內圈滾道疲勞剝落集中在四分之一周長范圍內，外圈滾道僅有一處較小的疲勞剝落坑，保持架無異常磨損，可以排除制造、安裝致使內圈橢圓而導致疲勞剝落的可能。對軸承滾棒及內外圈硬度進行測試，硬度分布均勻，均在60HRC ～62HRC 范圍內，與GCr15 軸承鋼的硬度要求相當；剝落區微觀觀察未見冶金缺陷，可以排除材質原因導致疲勞剝落的可能。

該發動機的動力渦輪Ⅴ支點軸承失效性質為接觸疲勞剝落，內圈滾道局部受力過大是Ⅴ支點軸承產生疲勞剝落的直接原因。

4 結論

根據軸承材料分析、硬度檢測及失效分析結論，因直齒輪與動力渦輪軸的配合為過盈配合，且該發動機的動力渦輪直齒輪配后的外徑圓度較大，局部與軸承內環的配合緊度偏大，使軸承內環局部受力，軸承滾道局部變形，加之軸承的徑向間隙為下限值，軸承軌道的局部變形導致軸承局部徑向間隙減小。最終Ⅴ支點軸承在以上綜合因素作用下，在發動機長時間使用后，軸承內環出現材料疲勞剝落，發動機出現金屬屑告警故障。

表4 Ⅴ支點零件尺寸配合表

表5 抽查數據表

圖2 內圈滾道疲勞剝落特征

圖3 滾棒疲勞剝落特征

根據技術分析情況，Ⅴ支點零組件修理技術標準與大修手冊符合、工藝規程與技術條件符合、實物與技術標準符合，修理過程符合要求，造成該發Ⅴ支點軸承失效的原因為直齒輪裝配狀態下的圓度偏大。

5 改進措施

為避免此類故障重復發生，結合實際工作，決定在直齒輪修理時增加直齒輪裝在動力渦輪軸上的圓度控制要求，控制其圓度不大于0.005mm。

按照上述改進措施，對直齒輪裝配后的圓度進行了嚴格控制，使Ⅴ支點軸承與直齒輪配合得到了保證，試車時振動無異常，并經過了多臺發動機的長期使用驗證，為該型發動機的修理和故障預防積累了經驗。