一起E190 飛機(jī)主輪軸承碎裂故障的分析

■ 朱聞?wù)?廣西北部灣航空有限責(zé)任公司

1 故障情況

某日，AOC 接到Y(jié) 機(jī)場報告，在跑道頭撿到一塊圓形的鋁質(zhì)材料金屬片，直徑約為8.5cm。因本公司一架E190 飛機(jī)起飛時間相近，AOC 工程師通過衛(wèi)星電話與正在飛行的機(jī)組進(jìn)行溝通，機(jī)組聲稱在起飛滑跑過程中除左內(nèi)主輪剎車溫度相對偏高外，沒有其他警告信息，也未發(fā)現(xiàn)異常情況。

飛機(jī)在下一機(jī)場正常落地。檢查發(fā)現(xiàn)左內(nèi)側(cè)主輪的輪軸保護(hù)蓋有明顯損傷，被切割成直徑約為8.5cm 的圓形缺口，與掉落的金屬圓片直徑外形吻合（見圖1）。同時機(jī)組反映，落地后滑跑期間CAS 區(qū)出現(xiàn)LG NO DISPATCH信息，但是沒有出現(xiàn)任何機(jī)身和起落架抖動情況。

圖1 左側(cè)主輪外側(cè)損傷情況

2 故障檢查情況

拆下左內(nèi)主輪，發(fā)現(xiàn)主輪軸承杯的外表面嚴(yán)重磨損，被磨出三道明顯的溝槽，寬度/深度分別約為15mm/3mm、10.5mm/9.6mm 和8mm/7mm（見圖2）。

圖2 軸承杯套表面的損傷情況

左內(nèi)主輪上的內(nèi)側(cè)錐形軸承完全破損，滾棒、封嚴(yán)、滾棒支架、卡環(huán)等破損零件堆積在機(jī)輪內(nèi)外軸承杯之間區(qū)域。主輪輪轂架內(nèi)壁磨損成一個直徑約300mm 的環(huán)狀凹槽，寬度約為25mm，深度約在6.5 ～7.5mm 之間，輪轂的周圍有很多金屬削（見圖3）。

圖3 主輪內(nèi)側(cè)的損傷情況

主輪上其他損傷還有內(nèi)側(cè)軸承杯的前沿被嚴(yán)重刮磨，磨損痕跡深度約1.5mm 左右，內(nèi)側(cè)軸承杯與錐形軸承的結(jié)合面嚴(yán)重磨損。

拆下?lián)p壞的剎車轂，內(nèi)側(cè)錐形軸承底座卡死在輪軸上，無法取下。對該剎車轂進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)剎車轂內(nèi)壁有多處刮磨和變形痕跡，其中最大一處損傷長度約為120mm，寬約25mm，剎車轂靜盤的前沿表面被刮磨（見圖4）。除此之外，該剎車轂其他部位正常，動片轉(zhuǎn)動正常，動片卡槽沒有出現(xiàn)掉塊情況。

圖4 剎車轂的損傷情況

該主輪內(nèi)側(cè)錐形軸承的底座完全卡死在輪軸上，使用高強(qiáng)度砂輪片經(jīng)過6個多小時鋸割，將其鋸斷一個缺口后才能拆下（見圖5）；輪軸外表面有明顯剮磨痕跡2 處，最大的一處如圖6 所示；輪軸的內(nèi)部有高溫烤焦變色的痕跡（見圖7）。

圖5 錐形軸承底座損傷情況

圖6 輪軸外表面損傷情況

圖7 內(nèi)壁損傷情況

其他檢查情況如下：

1）該機(jī)輪內(nèi)側(cè)錐形軸承外圈的滾棒支架被完全破壞，收集到散落的軸承滾棒20 個，其中大部分完全變形，有3個滾棒鑲嵌在軸承杯外套表面，丟失5個。正常的軸承應(yīng)有28 個滾棒。

2）盡管機(jī)輪內(nèi)側(cè)錐形軸承完全損毀，但外側(cè)錐形軸承基本完好，只是外封嚴(yán)有輕微破損，NDT 檢測正常。

3）輪軸上固定機(jī)輪的大螺帽外側(cè)表面被磨損，大螺帽的鎖定卡環(huán)無損傷；該主輪的胎面有輕微的不均勻磨損，但磨損未超標(biāo)，溝槽仍清晰可見；輪胎根部周圍有環(huán)狀的高溫灼烤痕跡。

4）對同一起落架上的左外相鄰機(jī)輪、剎車轂以及起落架等周圍部件進(jìn)行詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3 技術(shù)數(shù)據(jù)的收集和分析

為了分析故障的真正原因，整理了相關(guān)的飛機(jī)FHDB（Fault History Database）和QAR 數(shù)據(jù)并進(jìn)行了譯碼。

3.1 FHDB 數(shù)據(jù)

FHDB 數(shù)據(jù)譯碼顯示，在起飛爬升階段就已經(jīng)觸發(fā)LG NO DISPATCH 故障信息（見圖8），但該信息是被抑制的（INHIBITED）。經(jīng)查手冊核實，此信息在飛機(jī)離地飛行階段屬于被抑制的信息級別，落地后即可轉(zhuǎn)為激活（ACTIVE）狀態(tài)。這證實了在空中機(jī)組沒有反映有故障信息，而落地滑跑階段才出現(xiàn)故障信息的情況。

圖8 FHDB譯碼數(shù)據(jù)

核查該飛機(jī)7 天內(nèi)的FHDB 數(shù)據(jù)，沒有發(fā)現(xiàn)記錄過此故障信息。

3.2 QAR 數(shù)據(jù)

該型飛機(jī)的QAR 可以記錄3000 多個不同參數(shù)，且最少可以連續(xù)記錄30天飛行的技術(shù)數(shù)據(jù)。

QAR 數(shù)據(jù)譯碼顯示，飛機(jī)在起飛滑跑階段左內(nèi)剎車溫度急劇上升，最高達(dá)277℃，明顯高于另外三個剎車轂的溫度（見圖9）。對比當(dāng)日前一個航段滑行的剎車溫度數(shù)據(jù)，左內(nèi)剎車溫度也明顯高于其他三個剎車轂的溫度，只是溫度曲線上升不高，沒有觸發(fā)警告信息。對該機(jī)前三日所有航段的QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，顯示左內(nèi)剎車溫度與其他三個剎車的溫度基本一致。

圖9 Y機(jī)場滑行、起飛剎車溫度數(shù)據(jù)

以上情況表明，在當(dāng)日第一個航段的滑行過程中，左內(nèi)主輪就已經(jīng)發(fā)生了剎車溫度不正常上升情況，最高約為150℃；在Y 機(jī)場著陸滑行時最高溫度約為200℃，由于溫度沒有達(dá)到警告界限（警告值為232℃），且機(jī)組沒有注意到溫度的變化情況，所以前一航段的飛行機(jī)組沒有報告故障。

3.3 相關(guān)維修工作情況

查詢該飛機(jī)的維修記錄發(fā)現(xiàn)，7 天之內(nèi)航后沒有做過起落架部位的相關(guān)工作。再往前查詢，該主輪是在四個多月之前更換的，截至故障發(fā)生時已經(jīng)飛行501 循環(huán)。

查詢部件維修歷史記錄發(fā)現(xiàn)，該主輪件號為90002317-2，序號為JUN07-1215，共進(jìn)行過9 次修理，從返修報告核實，返修原因均為輪胎胎面磨損超限或扎傷。

該位置的剎車轂最近沒有拆裝記錄，與主輪的使用時間基本相同，最近一次更換后共飛行477 循環(huán)。

對飛機(jī)輪胎修理車間進(jìn)行調(diào)查，按照CMM 32-49-28-210-005-A01 的要求，每次輪胎返修時，主輪里的兩個軸承會被拆下進(jìn)行徹底清潔、潤滑，同時還進(jìn)行目視檢查、損傷檢測等相關(guān)工作。從收集到7 份附件維修報告來看，該主輪軸承的檢查情況都是正常，沒有更換記錄。

4 故障演變過程的分析

在對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真研究和分析后，判定故障演變經(jīng)過了四個階段：

1）第一階段：故障潛伏期

該階段為事件發(fā)生當(dāng)日之前的時間，軸承已經(jīng)出現(xiàn)損傷，只是損傷程度相對輕微，并不影響軸承正常的工作狀態(tài)，為故障潛伏期。

2）第二階段：故障發(fā)生的初期

從事件當(dāng)日第一個航段滑行開始，QAR 數(shù)據(jù)顯示剎車溫度開始不正常上升，剎車最高溫度上升到150℃。在Y機(jī)場落地滑行后，QAR 記錄的剎車最高溫度約200℃。

由于未觸及警告溫度，加上機(jī)組沒有報告異常情況，此故障苗頭被忽視。

3）第三階段：故障爆發(fā)階段

在Y 機(jī)場滑行起飛階段，起飛時輪胎高速運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承徹底碎裂，摩擦力迅速增加，從而引起剎車溫度急劇上升，從圖9 可以看出，飛機(jī)離地時剎車溫度達(dá)到210℃。起落架收入輪艙后，盡管輪子停止了轉(zhuǎn)動，但由于輪艙散熱效率低，溫度仍然持續(xù)上升，最高達(dá)到277℃，超過232℃琥珀色溫度指示警告界限，觸發(fā)了LG NO DISPATCH 警 告 信 息。但因飛機(jī)已經(jīng)離地，該信息被抑制。

由于內(nèi)側(cè)的錐形軸承是在地面滑跑時碎裂的，機(jī)輪仍在加速轉(zhuǎn)動，滾棒被甩離槽軌，使機(jī)輪失去內(nèi)側(cè)的支撐點。在外側(cè)錐形軸承的軸向分力推動下，機(jī)輪一邊向里側(cè)移動，一邊高速旋轉(zhuǎn)。此時輪軸上固定螺母的安全卡環(huán)凸緣接觸了輪軸保護(hù)蓋，并開始鋸割輪軸保護(hù)蓋，這就是8.5cm 圓形金屬片形成的原因，然后該金屬片掉落在Y 機(jī)場跑道上。

被甩出錐形軸承滑槽的滾棒，在機(jī)輪高速轉(zhuǎn)動的情況下，部分被擠進(jìn)內(nèi)側(cè)軸承杯外側(cè)邊緣與剎車轂之間的縫隙，其中有3 顆被機(jī)輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的強(qiáng)力擠壓并嵌入軸承杯外套表面，三道明顯的凹槽就是這樣形成的，另有5 顆通過縫隙后丟失，這8 顆滾棒也是造成剎車轂內(nèi)側(cè)表面刮磨的原因。

剩下的20 顆滾棒、滾棒支架及其他損壞部件，在經(jīng)過劇烈撞擊和摩擦后，大部分嚴(yán)重變形，留在了機(jī)輪內(nèi)外側(cè)軸承之間的區(qū)域。

4）第四階段：損傷擴(kuò)展階段

此階段發(fā)生在落地滑行期間，因為內(nèi)側(cè)的軸承已經(jīng)碎裂，無法順暢轉(zhuǎn)動，飛機(jī)落地瞬間巨大的沖擊力使錐形軸承底座變形，被卡死在輪軸上，導(dǎo)致輪軸表面有兩處明顯的損傷。同時，摩擦力的增加使溫度急劇上升，最高達(dá)到400℃，雖然未觸發(fā)CAS 紅色警告信息BRK OVERHEAT（紅色警告溫度為420℃），但導(dǎo)致了輪軸內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重烤焦痕跡，輪胎根部也有被烤炙變色的明顯痕跡。

由于該起落架的外側(cè)機(jī)輪仍然處于完好狀態(tài)，并不影響這一側(cè)起落架的正常功能，所以機(jī)組在高速滑行時并沒有感覺到機(jī)身抖動情況。

5 軸承碎裂的原因分析

圖10 為飛機(jī)主輪輪轂及其主要部件的安裝示意圖。查詢資料比較，其與國內(nèi)主要的窄體機(jī)A320、波音737 等系列飛機(jī)機(jī)輪的結(jié)構(gòu)基本相同。

圖10 機(jī)輪輪轂、軸承安裝圖

從手冊資料以及實物分析可知，兩個錐形軸承通過松配合裝配在機(jī)輪輪轂的軸承杯內(nèi)，軸承杯表面相對于輪軸是一個斜面，滾棒緊貼斜面進(jìn)行滾動。在地面承受飛機(jī)重力時，產(chǎn)生一個沿輪軸方向的軸向分力，正常情況下，內(nèi)外軸承產(chǎn)生的軸向分力大小相等，方向相反，可使機(jī)輪在軸向保持靜止?fàn)顟B(tài)。

上述故障中，左內(nèi)主輪錐形軸承碎裂是首要原因。經(jīng)核查，這是我公司E190 飛機(jī)2008 年運(yùn)行以來第一次出現(xiàn)的此類故障。咨詢其他航空公司工程技術(shù)部門，主輪錐形軸承碎裂情況并不多見，國外也沒有相關(guān)報告。

根據(jù)機(jī)輪錐形軸承的工作特點，從航線維護(hù)和輪胎返修環(huán)節(jié)對錐形軸承碎裂原因進(jìn)行簡要分析。

5.1 航線維修工作的原因分析

拆裝機(jī)輪是基本的航線維修內(nèi)容。安裝飛機(jī)主輪時，需要進(jìn)行兩次磅力矩工作。第一次預(yù)緊力矩值較大，約為481 ～495N.m（4260 ～4380lb.in），將主輪錐形軸承向內(nèi)壓緊到位，避免產(chǎn)生軸向活動空隙。第二次為上緊力矩，相比第一次要小，約147 ～151N.m（1300 ～1335lb.in），既可固定機(jī)輪，又不會使機(jī)輪過緊而影響其順暢轉(zhuǎn)動。

該主輪自最后一次安裝后已經(jīng)使用了477 循環(huán)，根據(jù)最近一個多月的QAR 數(shù)據(jù)分析，4 個主輪的剎車溫度全部正常，溫度曲線基本相同。此外，通過維修數(shù)據(jù)系統(tǒng)查詢，最近6 個月沒有相關(guān)起落架和剎車系統(tǒng)故障出現(xiàn)。盡管如此，不能排除維修工作導(dǎo)致故障的可能，如工作者在施工時不慎摔出軸承，造成隱形損傷，但自行通過目視檢查認(rèn)為沒有問題，軸承被直接裝回原位。

5.2 輪胎返修車間維修工作的原因分析

故障軸承各附件上附著的潤滑脂很多，仍然有很好的黏性，沒有干燥板結(jié)情況。對損傷部件清潔后，進(jìn)行詳細(xì)的目視檢查，未發(fā)現(xiàn)長期磨損造成的累積性損傷。因此，可以確定軸承的清潔、潤滑工作環(huán)節(jié)不是誘發(fā)故障的主要原因。

在輪胎翻修車間檢查時發(fā)現(xiàn)，幾個同時修理的機(jī)輪，軸承拆下后統(tǒng)一進(jìn)行清潔、潤滑，由于沒有做標(biāo)志，也不對軸承的序號進(jìn)行記錄，因此，不可避免地會造成串裝情況。也就是說，這次損壞的機(jī)輪經(jīng)過9 次修理后，該機(jī)輪上的軸承基本上可以確定已經(jīng)不是原裝的，因此也無法明確說明這個軸承到底使用了多長時間。

此外，軸承在拆下清潔、潤滑、安裝的過程中，由于工作場所轉(zhuǎn)移，不能確定其中是否有摔落情況，這種情況會造成滾棒、支架產(chǎn)生隱形裂紋?？梢?，盡管不能確定輪胎車間是否存在問題，但是可以確定修理工序的管理上有提升的必要性。

5.3 軸承制造廠家的原因分析

廠家CMM 針對軸承的檢查方式只有目視檢查，檢查內(nèi)容是銹蝕、裂紋、碳化、刮痕、點狀腐蝕、平整度、高溫變色等，只要發(fā)現(xiàn)不正常癥狀就必須更換。這種檢查方式有一定缺陷，只能檢查表面可見部分，無法檢測滾棒及相關(guān)部件的隱藏部位，有漏檢的可能性。軸承本身就是磨損部件，僅依靠目視檢查，發(fā)現(xiàn)問題之后再更換，檢查方式不可靠。此外，軸承沒有規(guī)定使用壽命，輪胎返修車間的工作模式導(dǎo)致軸承的使用時間無法控制。

E190 飛機(jī)使用的是Meggitt 公司生產(chǎn)的主輪輪轂及軸承，此為我公司第一起軸承碎裂的故障報告，Meggitt 公司出于保護(hù)商業(yè)機(jī)密的緣故，沒有給出世界機(jī)隊的使用情況。

6 總結(jié)

這是一起典型的由單個部件損壞引起連鎖反應(yīng)的故障案例，在初期的故障分析中就得出左內(nèi)機(jī)輪內(nèi)側(cè)錐形軸承碎裂是首要原因，但對故障的整個演變過程卻不清楚，無法準(zhǔn)確判斷出幾個關(guān)鍵現(xiàn)象形成的時間點、發(fā)生順序，如圓形金屬片是如何形成和掉落的；軸承杯套上的三道凹槽是如何形成的；錐形軸承底座是如何卡死的；輪軸內(nèi)筒高溫烤炙的色變發(fā)生在什么時候等等。盡管收集了一些FHDB、QAR 相關(guān)數(shù)據(jù)，但在大量數(shù)據(jù)和信息面前，無法將所有信息有效串連在一起，無法清晰解釋軸承爆裂的演變次序。

之后，通過重新整理分析思路，重點對QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行了認(rèn)真研究，以QAR 記錄的剎車溫度數(shù)據(jù)變化時間點為線索，將故障演變過程分成四個階段進(jìn)行分析，分別對每個階段的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行深入分析，很快理清了故障分析的思路，能夠?qū)⑺泄收犀F(xiàn)象有機(jī)串接起來，并且非常精確地推算出故障的演變情況，基本上還原了每一個階段該機(jī)輪真實的工作狀態(tài)。

目前，大多數(shù)飛機(jī)上類似QAR 和FHDB 的系統(tǒng)可以記錄各種各樣的參數(shù)數(shù)據(jù)，機(jī)務(wù)維修人員除了要收集有效的數(shù)據(jù)和信息外，還要善于對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別和分類，并要有清晰的邏輯思維分析能力，才能找到正確的解決辦法。