高轉(zhuǎn)速風機葉輪軸承系統(tǒng)失效案例分析與改進

胡 悅，常 莉，王 輝，陳國鵬，鄧 波，齊林林

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司134廠，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

高轉(zhuǎn)速風機最重要的核心部件是葉輪軸承系統(tǒng)。葉輪軸承系統(tǒng)的安全性以及可靠性是保證高轉(zhuǎn)速風機穩(wěn)定運行的重要條件，對高轉(zhuǎn)速風機的性能及振動使用工況等產(chǎn)生直接的影響。

某型直升機在一次飛行任務(wù)結(jié)束準備降落時，主減滑油溫度出現(xiàn)異常。機務(wù)人員拆下高轉(zhuǎn)速風機1后發(fā)現(xiàn)風機傳動軸從保險截面處斷裂(如圖1)，葉輪側(cè)軸承保持架嚴重損毀，軸承保持架、外圈滾道均出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖2)，花鍵側(cè)軸承滾動體損壞嚴重，軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖3)。

圖1 高轉(zhuǎn)速風機故障情況

圖2 風機葉輪側(cè)軸承低倍圖

圖3 風機花鍵側(cè)軸承低倍圖

1 故障分析

高轉(zhuǎn)速風機主要由蝸殼、罩殼、葉輪、葉輪擋套、傳動軸、軸承系統(tǒng)等組成，其中軸承系統(tǒng)包括軸承、軸承殼體、軸承壓蓋甲、軸承壓蓋乙、軸承擋套甲、軸承擋套乙等零件。風機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)速風機結(jié)構(gòu)圖

對于風機軸承系統(tǒng)失效故障，經(jīng)設(shè)計所分析得出結(jié)論如下：軸承防塵蓋為疲勞斷裂，疲勞斷裂的原因是軸承在損壞失效后，內(nèi)部保持架、滾動體等刮蹭磨損防塵蓋，造成防塵蓋嚴重磨損、斷裂?？梢?，風機故障的發(fā)生過程為軸承防塵蓋出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致潤滑脂流失，造成軸承干磨運轉(zhuǎn)失效，軸承失效后風機葉輪與風機罩殼發(fā)生刮蹭、劇烈磨損，在葉輪扭轉(zhuǎn)力矩大于剪切斷面的設(shè)計最大扭矩后，傳動軸從剪切斷面處過載扭斷，以保護主減。

根據(jù)風機軸承失效故障原因初步分析，建立故障樹，如圖5所示。

圖5 軸承系統(tǒng)失效故障樹

軸承生產(chǎn)配套廠家鐵姆肯公司對提供的軸承要求不得破壞軸承包裝，只能檢查配套資料完整性和軸承外觀，軸承入廠檢驗項目缺少，導(dǎo)致過程質(zhì)量無法有效控制。

風機兩軸承一端為固定端(花鍵側(cè)軸承)，一端為浮動端(葉輪側(cè)軸承)。固定端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套甲、軸承擋套乙)予以約束；外圈由定子零件(軸承壓蓋甲、軸承殼體)予以約束。浮動端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套乙、葉輪擋套)予以約束；外圈僅在軸承殼體上予以徑向約束，外圈可活動，如圖6所示。在風機高速長時間運轉(zhuǎn)過程中，隨著軸向力的變化及產(chǎn)品振動的影響，軸承內(nèi)圈金屬臺階與防塵蓋存在頻繁碰撞接觸的情況，導(dǎo)致防塵蓋內(nèi)圈附近出現(xiàn)裂紋，軸承潤滑脂密封提前失效。

圖6 風機軸承軸向定位結(jié)構(gòu)

根據(jù)風機分解檢查結(jié)果，分析造成該套高轉(zhuǎn)速風機軸承失效的原因為：①軸承制造、質(zhì)量復(fù)驗問題；②軸承軸向定位問題。即底事件X2、X3無法排除，其他事件均能排除。

1.1 軸承制造、質(zhì)量復(fù)驗問題

軸承為精密部件，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制復(fù)雜，具有較高的精度要求。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)過程中需采用多種專用工具對零部件進行檢測，主要包括材料組織、硬度、表面完整性、尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度、游隙、溫升、振動、漏脂試驗等。各項檢測指標均對軸承性能和壽命有較大的影響：一旦超標，輕則軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，造成溫升和振動增大，減少軸承使用壽命；重則軸承運轉(zhuǎn)卡滯，致使軸承過早失效，無法使用。

1.2 軸承軸向定位問題

軸承的防塵蓋易出現(xiàn)裂紋的部位位于軸承內(nèi)圈臺階處，且防塵蓋在與內(nèi)圈接觸部位無金屬骨架。高轉(zhuǎn)速風機可簡化為兩軸承支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，風機受力方向主要朝向葉輪側(cè)。在機上振動與環(huán)境交變的綜合作用力下，軸承內(nèi)圈與防塵蓋動密封配合處與金屬臺階頻繁接觸碰撞，導(dǎo)致防塵蓋在金屬骨架結(jié)合處出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，軸承無法實現(xiàn)潤滑脂的密封。隨著潤滑脂的加速流失，軸承最終干磨運轉(zhuǎn)失效。

2 解決措施

通過對故障件的分解檢查及原因分析，認為導(dǎo)致此次故障的原因是：軸承定位問題。同時在排查過程中發(fā)現(xiàn)，軸承入廠復(fù)驗項目較少且無法反映軸承質(zhì)量，需補充完善軸承復(fù)驗項目。

2.1 軸承定位問題改進

為提高軸承運轉(zhuǎn)的可靠性，改良軸承運轉(zhuǎn)環(huán)境，對高轉(zhuǎn)速風機軸承殼體、軸承壓蓋乙進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便為浮動端軸承提供預(yù)緊緩沖，改進主要為：

1)軸向增加波形彈簧，安裝于葉輪側(cè)軸承一側(cè)，起軸承預(yù)緊和減振緩沖的作用。波形彈簧相當于緩沖阻尼，有利于軸承軸向穩(wěn)定，避免軸向往復(fù)劇烈運動，保證軸承運轉(zhuǎn)的可靠性。

2)徑向增加減振膠圈，安裝在軸承殼體表面，作用于軸承殼體和蝸殼安裝面之間，起減振的作用。軸承殼體為葉輪的支撐零件，主要與軸承外圈配合。在風機的實際使用過程中，直升機上振動環(huán)境致使風機蝸殼、軸承殼體等攜帶一定的附加振動，進而通過軸承殼體影響葉輪。增加徑向的減振膠圈，可以減緩?fù)饨鐚︼L機軸系的影響，保證葉輪的正常運轉(zhuǎn)。改進后內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 高轉(zhuǎn)速風機內(nèi)部改進結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 補充完善軸承復(fù)驗項目

經(jīng)與軸承廠家溝通，增加軸承復(fù)驗項目：

1)由鐵姆肯公司提供軸承軸向、徑向游隙數(shù)據(jù)測量記錄，軸承加脂量測量記錄，軸承內(nèi)外圈硬度批次檢測記錄；

2)采用下廠驗收的方式，風機生產(chǎn)單位進行包裝前檢查并復(fù)驗軸承關(guān)鍵尺寸(如軸承內(nèi)外圈尺寸、寬度尺寸、軸承游隙等)。

2.3 驗證情況

為了驗證改進方案的有效性，對改進結(jié)構(gòu)的高轉(zhuǎn)速風機進行性能試驗，同步監(jiān)測溫度和振動情況。

2.3.1 試驗情況

經(jīng)試驗監(jiān)測高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)與改進結(jié)構(gòu)的溫度及振動情況：高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)花鍵側(cè)軸承外圈溫度對比情況見圖8；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)葉輪側(cè)軸承外圈溫度對比情況見圖9；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)徑向振動量值對比情況見圖10；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)軸向振動量值對比情況見圖11。

圖8 高轉(zhuǎn)速風機花鍵側(cè)軸承外圈溫度

圖9 高轉(zhuǎn)速風機葉輪側(cè)軸承外圈溫度

圖10 高轉(zhuǎn)速風機徑向振動量值

圖11 高轉(zhuǎn)速風機軸向振動量值

2.3.2 試驗分析

根據(jù)試驗獲取的溫度和振動數(shù)據(jù)，分析認為改進方案有明顯的改善效果。

1)高轉(zhuǎn)速風機工作的軸承溫度有明顯的降低，表明軸承在工作過程中實際的受力情況有所降低,且浮動端軸承的軸向竄動摩擦產(chǎn)熱被部分抑制。溫度的降低有利于軸承的長時間工作。根據(jù)壽命理論計算值，高轉(zhuǎn)速風機改進結(jié)構(gòu)與現(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，壽命增加約31%。

2)高轉(zhuǎn)速風機改進結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在振動監(jiān)測中，徑向振動差異不大，軸向振動上有明顯改善。軸向振動量值的降低，表明波形彈簧有減振緩沖作用，能夠減緩浮動端軸承的軸向竄動，減輕軸承內(nèi)圈對軸承防塵蓋的作用，利于軸承正常運轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

綜上所述，高轉(zhuǎn)速風機改進方案通過在浮動端軸承軸向增加波形彈簧進行預(yù)緊及減振緩沖，徑向增加減振膠圈，可解決防塵蓋破損、軸承干磨失效的問題。改進措施驗證試驗內(nèi)容完整充分，對其它高轉(zhuǎn)速風機減振分析與改進也有借鑒意義。