航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂分析與預(yù)防措施

修娟

摘 要：航空發(fā)動機(jī)是現(xiàn)代航空業(yè)發(fā)展的基石，也是一個國家工業(yè)實力的重要體現(xiàn)?，F(xiàn)代中國航空產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期，航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展急需大量的航空發(fā)動機(jī)。航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大，在航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)中廣泛采用雙轉(zhuǎn)子與中介軸承所組成的結(jié)構(gòu)方案，用以實現(xiàn)提高航空發(fā)動機(jī)推重比并降低航空發(fā)動機(jī)自重。這一結(jié)構(gòu)方案將使得中介軸承的運(yùn)行環(huán)境更加惡劣、復(fù)雜。為保障中介軸承更好地發(fā)揮其功用，應(yīng)當(dāng)對航空發(fā)動機(jī)中介軸承在應(yīng)用中所產(chǎn)生的失效原因進(jìn)行分析并采取針對性的措施，來加以改進(jìn)、預(yù)防，從而使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承能夠最大限度的發(fā)揮其功用，提高航空發(fā)動機(jī)的使用效果與使用壽命。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；中介軸承；失效；應(yīng)對措施

中圖分類號：V263 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0122-02

Abstract： Aeroengine is the cornerstone of the development of modern aviation industry as well as an important embodiment of a country's industrial strength. Modern China's aviation industry has entered a period of rapid development， the rapid development of the aviation industry is in urgent need of a large number of aero-engines. The structure of aero-engine is complex and difficult to manufacture. In the structure of aero-engine， double rotors and intermediate bearings are widely used to improve the thrust-weight ratio of aero-engine and reduce the dead weight of aero-engine. This structure scheme will make the operation environment of the intermediate bearing worse and more complex. In order to give full play to the functions of the intermediate bearing， the reasons for failure of the intermediate bearing in the application of the aeroengine should be analyzed and the corresponding measures should be taken to improve and prevent the failure of the intermediate bearing. Thus the aeroengine intermediate bearing can maximize its function and improve the use effect and service life of the aeroengine.

Keywords： aeroengine； intermediate bearing； failure； countermeasures

前言

航空發(fā)動機(jī)中介軸承是航空發(fā)動機(jī)中的重要部件，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)主要使用的雙轉(zhuǎn)子與中介軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在為航空發(fā)動機(jī)帶來高性能的同時，也使航空發(fā)動機(jī)中介軸承面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。航空發(fā)動機(jī)中介軸承運(yùn)行中潤滑條件較差，且受到雙轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的復(fù)雜力的作用，導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)中介軸承在應(yīng)用中容易失效，進(jìn)而影響航空發(fā)動機(jī)的使用效果與使用壽命。為保障航空發(fā)動機(jī)獲得良好的使用效果，需要積極做好航空發(fā)動機(jī)中介軸承失效問題的分析，并采取積極的措施對其加以控制與預(yù)防。

1 某型號航空發(fā)動機(jī)中介軸承故障特點與失效原因

某型號航空發(fā)動機(jī)在運(yùn)行中振動幅度過大，在對其進(jìn)行分解維修過程中檢測到航空發(fā)動機(jī)中介軸承外環(huán)套圈存在軸向裂紋，且接近貫穿整個航空發(fā)動機(jī)中介軸承。航空發(fā)動機(jī)所使用的中介軸承其結(jié)構(gòu)采用的是外圈無擋邊圓柱滾子形式，航空發(fā)動機(jī)中介軸承的內(nèi)外環(huán)與滾子所使用的材料為軸承鋼，使用硅青銅材料制作的保持架，內(nèi)外圈分別隨著高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行順、逆時針方向轉(zhuǎn)動。航空發(fā)動機(jī)中介軸承的潤滑采用的是環(huán)下供油潤滑方式。針對航空發(fā)動機(jī)中介軸承外圈裂紋進(jìn)行分析并采取預(yù)防與控制措施，用以增強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安全性。

對故障航空發(fā)動機(jī)中介軸承進(jìn)行詳細(xì)的檢測，以確定航空發(fā)動機(jī)中介軸承的故障原因。通過外觀檢測航空發(fā)動機(jī)中介軸承的內(nèi)套圈、圓柱滾子以及硅青銅保持架，并未有明顯的裂紋或是損傷，內(nèi)套圈、圓柱滾子以及硅青銅保持架上并未有因高溫所導(dǎo)致的變色痕跡。航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈裂紋沿軸向從套圈一處凸臺根部開始延伸，至整個航空發(fā)動機(jī)中介軸承，外套圈軌槽面分布有矩形沿軸向剝落帶，外套圈軸向斷裂處的剝落寬度以及滾道接觸痕跡寬度遠(yuǎn)大于外套圈遠(yuǎn)離斷裂處，同時在斷裂處可以清晰的觀測到滾道存在明顯錯位，這意味著航空發(fā)動機(jī)中介軸承最初發(fā)生失效位置應(yīng)在軸向斷裂處。外套圈前端面磨損并不均勻，斷裂處前后端面有著較為明顯的磨損痕跡。在完成了對航空發(fā)動機(jī)中介軸承的外觀觀測后，需要對航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂處進(jìn)行金相、掃描電鏡等的觀測，發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂剝落區(qū)中密布剝落坑，從剝落坑中可以觀測到較為明顯的金屬疲勞性狀。此外，在剝落坑周邊可以觀測到大量密布的微小裂紋，且在金相及微電觀測中并未發(fā)現(xiàn)明顯的金屬屑。航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈軸向斷裂斷口在內(nèi)徑滾道面一側(cè)則分布著裂紋起始區(qū)域，裂紋沿著航空發(fā)動機(jī)中介軸承軸向進(jìn)行擴(kuò)展，觀測中發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)中介軸承各處疲勞源均分布著基體表面剝落的痕跡，從金相觀測中發(fā)現(xiàn)材料并未有明顯的冶金缺陷，裂紋擴(kuò)展區(qū)具有疲勞小弧線特征，基于以上特性及裂紋斷面處的韌窩形貌可以有效的排除其他影響因素，認(rèn)定航空發(fā)動機(jī)中介軸承裂痕是由于金屬疲勞因素所造成的，且航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂的起始區(qū)域在軸承內(nèi)徑滾道面的剝落坑處。航空發(fā)動機(jī)中介軸承前后端面有著明顯的壓痕，且對端面殘留進(jìn)行了能譜分析，其元素與壓緊螺母的基體材料特征相同，可以判定航空發(fā)動機(jī)中介軸承后端面的物質(zhì)為壓緊螺母所殘留。

通過對航空發(fā)動機(jī)中介軸承進(jìn)行金相觀測，觀測區(qū)域為中介軸承斷裂截面及中介軸承完好部分取截面，通過對兩者進(jìn)行金相組織對比觀測和硬度對比，確定兩者材質(zhì)的區(qū)別。金相組織觀測中兩截面的金相組織并未有明顯的區(qū)別，兩者特性基本相同，均為馬氏體與碳化物組織特性，觀測中介軸承裂紋剝落區(qū)基體，金相并未觀測到明顯的夾雜物質(zhì)，且對截面進(jìn)行硬度測定后，發(fā)現(xiàn)兩者硬度基本相同，并未有較為明顯的區(qū)別。從上述特性檢測中可以認(rèn)定，航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂裂紋主要是由于疲勞所造成的。為排除航空發(fā)動機(jī)中介軸承自身設(shè)計與制造缺陷，對航空發(fā)動機(jī)中介軸承的各項參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測定，以確定航空發(fā)動機(jī)中介軸承符合使用規(guī)范，通過對所使用的航空發(fā)動機(jī)中介軸承同批次100套成品的軸承內(nèi)外套尺寸、寬度、旋轉(zhuǎn)精度以及配合精度、徑向游隙等各項性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的檢測，確定同批次的航空發(fā)動機(jī)中介軸承各項參數(shù)均符合設(shè)計要求。因此，可以排除航空發(fā)動機(jī)中介軸承設(shè)計缺陷。對航空發(fā)動機(jī)中介軸承兩端面的壓痕進(jìn)行觀測，航空發(fā)動機(jī)中介軸承有槽口端面具有明顯的與空氣導(dǎo)流調(diào)整墊相配合的痕跡，而無槽口端則具有較為明顯的壓緊螺母壓痕，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝要求，航空發(fā)動機(jī)中介軸承上的壓痕表明，航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝位置并無差錯。在對航空發(fā)動機(jī)中介軸承上的壓痕進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)中介軸承上的壓痕不均勻，大槽口端面與空氣系統(tǒng)調(diào)整墊配合痕跡深淺存在一定的差距，空氣系統(tǒng)調(diào)整墊片在與航空發(fā)動機(jī)中介軸承槽口端面接觸中產(chǎn)生了輕度磨痕，且磨痕形成了臺階狀。結(jié)合航空發(fā)動機(jī)中介軸承上的磨痕，初步懷疑航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂是由于航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝偏差所導(dǎo)致的。

2 航空發(fā)動機(jī)中介軸承斷裂故障原因分析

在對航空發(fā)動機(jī)中介軸承進(jìn)行宏觀、金相以及電鏡檢測后，可以判定航空發(fā)動機(jī)中介軸承裂痕是由于航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝缺陷所導(dǎo)致的。從宏觀分析與電鏡檢測中發(fā)現(xiàn)，航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈裂痕與失效主要集中在航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈滾道剝落與軸向裂紋，滾道剝落是由于金屬疲勞所產(chǎn)生的，而軸向裂紋主要為疲勞斷裂所導(dǎo)致的金屬裂紋。電鏡觀測到航空發(fā)動機(jī)中介軸承軸向裂紋起始于航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈滾道剝落坑，裂紋在外力的作用下持續(xù)沿軸向擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈形成了軸向斷裂。造成航空發(fā)動機(jī)中介軸承疲勞性損壞的原因眾多，對航空發(fā)動機(jī)中介軸承各項參數(shù)的檢測后，排除了是由于航空發(fā)動機(jī)中介軸承自身缺陷所導(dǎo)致的中介軸承疲勞性損壞，造成疲勞斷裂的原因應(yīng)當(dāng)為外力所造成的。結(jié)合航空發(fā)動機(jī)中介軸承前后端面所檢測到的接觸物與接觸痕跡，可以認(rèn)定航空發(fā)動機(jī)中介軸承是由于安裝缺陷所導(dǎo)致的受力不均，進(jìn)而在航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動中所產(chǎn)生的巨大的外作用力下形成疲勞斷裂。航空發(fā)動機(jī)中介軸承為薄壁異型結(jié)構(gòu)軸承，其采用滾子作為旋轉(zhuǎn)體且外套圈無擋邊。航空發(fā)動機(jī)中介軸承運(yùn)動時，內(nèi)外套圈分別沿著順、逆時針旋轉(zhuǎn)，航空發(fā)動機(jī)中介軸承的外圈與高壓轉(zhuǎn)子相配合其轉(zhuǎn)速高達(dá)15000r/min，加之內(nèi)套圈反向旋轉(zhuǎn)，如航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝不到位，將導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)中介軸承承受巨大的外作用力，在這一外作用力的作用下將使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承的使用壽命和使用性能受到巨大的影響。航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝缺陷將使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承的內(nèi)外套圈產(chǎn)生偏斜，進(jìn)而在巨大的轉(zhuǎn)速下造成航空發(fā)動機(jī)中介軸承局部應(yīng)力集中，并最終導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)中介軸承應(yīng)力集中區(qū)域在巨大的應(yīng)力作用下而產(chǎn)生疲勞剝落，滾道疲勞剝落區(qū)域的強(qiáng)度性能下降并最終成為了裂紋的起源地。此外，航空發(fā)動機(jī)中介軸承滾道疲勞剝落區(qū)域也會使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承在運(yùn)動的過程中產(chǎn)生振動性沖擊，在持續(xù)的振動沖擊下將使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈在滾道剝落點區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋，這一情況在航空發(fā)動機(jī)中介軸承持續(xù)高速運(yùn)行的情況下將持續(xù)擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈斷裂。

3 航空發(fā)動機(jī)修理中中介軸承安裝優(yōu)化

通過對航空發(fā)動機(jī)中介軸承裂紋進(jìn)行金相、宏觀以及電鏡觀測，最終找出了航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈裂紋是由于安裝缺陷所導(dǎo)致的，為提高航空發(fā)動機(jī)中介軸承的使用壽命需要對航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝流程進(jìn)行優(yōu)化，以確保航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝質(zhì)量。在航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝中，加強(qiáng)對航空發(fā)動機(jī)中介軸承端面的測量，使用百分表測量安裝量進(jìn)行測量，確保安裝端面的平整度。在安裝前對航空發(fā)動機(jī)中介軸承的端面處進(jìn)行良好的清潔，避免異物混入航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝接觸面，而影響航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安全精度。在航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝完成后，使用塞尺對中介軸承端面與軸承配合面的接觸情況進(jìn)行檢測并記錄檢測數(shù)據(jù)，確保軸承端面各處都與軸承配合面有著良好的配合精度。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)中介軸承是航空發(fā)動機(jī)中的重要組成構(gòu)件之一，現(xiàn)今廣泛采用的雙轉(zhuǎn)子加航空發(fā)動機(jī)中介軸承形式使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承承受著巨大的工作壓力。本文結(jié)合航空發(fā)動機(jī)修理中所發(fā)現(xiàn)的中介軸承斷裂現(xiàn)象，通過對航空發(fā)動機(jī)中介軸承外套圈裂紋進(jìn)行分析，確定了航空發(fā)動機(jī)中介軸承裂紋是由于安裝缺陷所導(dǎo)致的疲勞性裂痕。針對這一問題對航空發(fā)動機(jī)中介軸承的安裝流程進(jìn)行了優(yōu)化，加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)中介軸承安裝中的精度檢測，確保中介軸承的安裝精度以使得航空發(fā)動機(jī)中介軸承具有良好的使用性能和使用壽命。

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