某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承失效故障分析

羅真應(yīng) 唐波/國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠

1 故障現(xiàn)象

一架某型直升機(jī)飛行過(guò)程中右發(fā)出現(xiàn)金屬屑告警，著陸后檢查發(fā)現(xiàn)金屬屑信號(hào)器及滑油濾上有較多粉末狀金屬屑。按維護(hù)手冊(cè)進(jìn)行檢查、清洗并更換滑油后故障現(xiàn)象消失，但在后續(xù)的飛行過(guò)程中再次出現(xiàn)金屬屑告警燈閃亮故障，著陸后檢查發(fā)現(xiàn)滑油濾和金屬屑信號(hào)器上又出現(xiàn)少量金屬屑。

2 工作原理及故障檢查

2.1 工作原理

動(dòng)力渦輪在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟?，通過(guò)彈性軸帶動(dòng)主減速器從而帶動(dòng)直升機(jī)旋翼和尾槳旋轉(zhuǎn)做功。該型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪為雙級(jí)軸流式。動(dòng)力渦輪支撐方式為懸臂雙支點(diǎn)式，前支點(diǎn)（Ⅳ支點(diǎn)）為滾珠軸承，后支點(diǎn)（Ⅴ支點(diǎn)）為滾棒軸承。如圖1 所示，Ⅳ支點(diǎn)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的Ⅳ-V 支點(diǎn)殼體（7）的內(nèi)結(jié)合盤(pán)上，由Ⅳ支點(diǎn)軸承座（5）、Ⅳ支點(diǎn)擋油圈（28）、減振環(huán)（31）、軸承襯套（32）和滾珠軸承（25）等組成。Ⅴ支點(diǎn)固定在Ⅳ-Ⅴ支點(diǎn)殼體內(nèi)的后安裝邊上，由帶密封組件的Ⅴ支點(diǎn)軸承座（12）、Ⅴ支點(diǎn)擋油圈（13）、密封襯套（16）、滾棒軸承（11）等組成。

前后支點(diǎn)軸承的滑油腔是相通的，在滑油腔內(nèi)裝有動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的中央傳動(dòng)裝置。該傳動(dòng)裝置固定在Ⅳ-V支點(diǎn)殼體內(nèi)，是一個(gè)兩級(jí)減速的齒輪機(jī)構(gòu)。主要有齒輪和滾珠軸承等組成。主動(dòng)齒輪（直齒輪）裝在動(dòng)力渦輪軸上，各軸承的潤(rùn)滑及散熱和石墨密封裝置的冷卻是由固定在支點(diǎn)殼體上的噴嘴噴射滑油來(lái)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(jī)第七級(jí)處引來(lái)的高壓空氣經(jīng)支點(diǎn)殼體上的孔進(jìn)入空氣腔“Б”及腔“B”內(nèi)，進(jìn)行擋油。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪支點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)動(dòng)力渦輪工作時(shí)，滑油腔內(nèi)的零件（如減振環(huán)、齒輪、軸承等）因磨損產(chǎn)生的金屬屑，通過(guò)滑油系統(tǒng)的循環(huán)，隨滑油一起通過(guò)滑油腔底部Ⅳ-V 支點(diǎn)回油管被帶走。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)能量通過(guò)減振環(huán)、軸承座及Ⅳ-V 支點(diǎn)殼體安裝邊傳遞給機(jī)匣。

2.2 分解檢查

將發(fā)動(dòng)機(jī)返廠進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)Ⅴ支點(diǎn)軸承有異常損傷：內(nèi)環(huán)滾道1/3 圓周上有兩段嚴(yán)重剝落，多處有較深的凹坑，其余工作面磨損嚴(yán)重，外環(huán)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(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)分解前收集的滑油油樣與正常送修發(fā)動(dòng)機(jī)收集的滑油油樣進(jìn)行了光譜分析，經(jīng)對(duì)比主要元素含量，未見(jiàn)異常。光譜分析結(jié)果見(jiàn)表1。

2.4 材料分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分解前收集的金屬屑進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，金屬屑材質(zhì)成分均與俄產(chǎn)8Х4В9Ф（ЭЙ-347）材料接近，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。

2.5 軸承材料分析

對(duì)該發(fā)Ⅴ支點(diǎn)（軸承單機(jī)兩件，分別裝于Ⅰ支點(diǎn)、Ⅴ支點(diǎn)）進(jìn)行了能譜分析，并對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ支點(diǎn)裝用的軸承進(jìn)行了能譜分析，軸承材質(zhì)屬俄產(chǎn)8Х4В9Ф（ЭЙ-347）軸承鋼材料，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

2.6 軸承硬度對(duì)比

對(duì)該發(fā)Ⅴ支點(diǎn)故障軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾棒完好面進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值為60.5HRC ～62.0HRC；對(duì)完好的同件號(hào)軸承（Ⅰ支點(diǎn)）進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值為61.0HRC；抽取正常送修發(fā)動(dòng)機(jī)裝用的兩組同件號(hào)軸承進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值為60.5HRC ～63.0HRC。

2.7 修理情況復(fù)查

Ⅴ支點(diǎn)產(chǎn)生金屬屑的可能原因有噴嘴孔堵塞導(dǎo)致潤(rùn)滑不良、配合尺寸不合格導(dǎo)致零件異常磨損、軸承游隙不合格導(dǎo)致軸承異常磨損等，根據(jù)上述原因開(kāi)展復(fù)查工作。

1）流量試驗(yàn)

對(duì)分解下的Ⅴ支點(diǎn)軸承座進(jìn)行流量試驗(yàn)，檢查流量與發(fā)動(dòng)機(jī)修理時(shí)的差異。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流量為1.54L/min（修理時(shí)為1.59L/min），均在工藝要求范圍內(nèi)（工藝規(guī)定為1.5 ～1.7L/min），且流量差異較小。故排除滑油潤(rùn)滑不良導(dǎo)致零件異常磨損因素。

2）零件尺寸復(fù)查

Ⅴ支點(diǎn)軸承徑向間隙：因軸承損壞，無(wú)法進(jìn)行軸承的間隙復(fù)查。查閱修理記錄，該軸承的徑向間隙為0.022mm（工藝規(guī)定為0.020 ～0.040mm），符合工藝規(guī)定。

支點(diǎn)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(guò)盈配合；軸承內(nèi)環(huán)與直齒輪之間的間隙為-0.020mm，為過(guò)盈配合；軸承座與軸承外環(huán)之間的間隙為+0.025mm，為間隙配合。具體零件尺寸及配合見(jiàn)表4。

復(fù)查實(shí)物尺寸：直齒輪與軸之間的間隙為-0.010mm；軸承內(nèi)環(huán)與直齒輪之間的間隙為-0.025mm；具體零件尺寸見(jiàn)表4。因Ⅴ支點(diǎn)軸承外環(huán)與軸承座粘接，無(wú)法進(jìn)行尺寸復(fù)查。

由以上數(shù)據(jù)可知，間隙A 和間隙В均符合工藝規(guī)定，記錄尺寸與復(fù)查尺寸不一致，系環(huán)境溫濕度影響導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

表1 光譜分析結(jié)果

表2 分解前收集金屬屑能譜分析結(jié)果

表3 故障機(jī)軸承能譜分析結(jié)果

3）轉(zhuǎn)子同軸度檢查

將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子Ⅲ、Ⅳ，軸承襯套，直齒輪軸等組裝后復(fù)查徑向跳動(dòng)、端面跳動(dòng)，均符合工藝文件規(guī)定。

2.8 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

將直齒輪裝在自渦渦輪軸上進(jìn)行裝配狀態(tài)下的尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)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(tài)下，外徑尺寸為?69.980 ～ ?70.000mm，圓度為0.010mm。查閱從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造單位授權(quán)引進(jìn)的大修手冊(cè)及此前各個(gè)版本的大修手冊(cè)，對(duì)裝配狀態(tài)下直齒輪?70 尺寸的圓度均無(wú)相關(guān)控制要求。

抽查現(xiàn)場(chǎng)在修的5 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)量直齒輪裝配狀態(tài)下的外徑圓度尺寸，圓度均不大于0.005mm，故分析故障飛機(jī)直齒輪外徑圓度尺寸偏大為偶發(fā)現(xiàn)象，見(jiàn)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(nèi)圈滾道剝落區(qū)低倍形貌可見(jiàn)鱗剝特征，進(jìn)一步放大觀察可見(jiàn)疲勞弧線、放射線等疲勞剝落特征，見(jiàn)圖2。滾棒表面的典型剝落可見(jiàn)疲勞弧線、放射線特征，進(jìn)一步觀察可見(jiàn)疲勞起始于亞表面，見(jiàn)圖3。

3.2 分析

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

3.3 分析結(jié)論

該軸承內(nèi)圈安裝在動(dòng)力渦輪軸的直齒輪上，外圈安裝在Ⅴ支點(diǎn)軸承座上，軸承最高工作轉(zhuǎn)速達(dá)15000ram/min，該軸承工作時(shí)主要承受徑向載荷。根據(jù)該軸承的工作特點(diǎn)及受力分析，判斷導(dǎo)致軸承內(nèi)圈滾道局部嚴(yán)重疲勞剝落的原因可能是內(nèi)圈橢圓、局部材質(zhì)缺陷或加工缺陷、局部受力過(guò)大。

軸承外觀檢查看到內(nèi)圈滾道疲勞剝落集中在四分之一周長(zhǎng)范圍內(nèi)，外圈滾道僅有一處較小的疲勞剝落坑，保持架無(wú)異常磨損，可以排除制造、安裝致使內(nèi)圈橢圓而導(dǎo)致疲勞剝落的可能。對(duì)軸承滾棒及內(nèi)外圈硬度進(jìn)行測(cè)試，硬度分布均勻，均在60HRC ～62HRC 范圍內(nèi)，與GCr15 軸承鋼的硬度要求相當(dāng)；剝落區(qū)微觀觀察未見(jiàn)冶金缺陷，可以排除材質(zhì)原因?qū)е缕趧兟涞目赡堋?/p>

該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪Ⅴ支點(diǎn)軸承失效性質(zhì)為接觸疲勞剝落，內(nèi)圈滾道局部受力過(guò)大是Ⅴ支點(diǎn)軸承產(chǎn)生疲勞剝落的直接原因。

4 結(jié)論

根據(jù)軸承材料分析、硬度檢測(cè)及失效分析結(jié)論，因直齒輪與動(dòng)力渦輪軸的配合為過(guò)盈配合，且該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力渦輪直齒輪配后的外徑圓度較大，局部與軸承內(nèi)環(huán)的配合緊度偏大，使軸承內(nèi)環(huán)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(dǎo)致軸承局部徑向間隙減小。最終Ⅴ支點(diǎn)軸承在以上綜合因素作用下，在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用后，軸承內(nèi)環(huán)出現(xiàn)材料疲勞剝落，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)金屬屑告警故障。

表4 Ⅴ支點(diǎn)零件尺寸配合表

表5 抽查數(shù)據(jù)表

圖2 內(nèi)圈滾道疲勞剝落特征

圖3 滾棒疲勞剝落特征

根據(jù)技術(shù)分析情況，Ⅴ支點(diǎn)零組件修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與大修手冊(cè)符合、工藝規(guī)程與技術(shù)條件符合、實(shí)物與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合，修理過(guò)程符合要求，造成該發(fā)Ⅴ支點(diǎn)軸承失效的原因?yàn)橹饼X輪裝配狀態(tài)下的圓度偏大。

5 改進(jìn)措施

為避免此類(lèi)故障重復(fù)發(fā)生，結(jié)合實(shí)際工作，決定在直齒輪修理時(shí)增加直齒輪裝在動(dòng)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(jìn)措施，對(duì)直齒輪裝配后的圓度進(jìn)行了嚴(yán)格控制，使Ⅴ支點(diǎn)軸承與直齒輪配合得到了保證，試車(chē)時(shí)振動(dòng)無(wú)異常，并經(jīng)過(guò)了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期使用驗(yàn)證，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)的修理和故障預(yù)防積累了經(jīng)驗(yàn)。