航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承失效故障的分析

［摘 要］作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，壓氣機(jī)后軸承承載著確保發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要使命。文章以某型飛機(jī)在飛行過程中遇到的故障為例，分析了航天發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承失效的故障現(xiàn)象，研究了其失效機(jī)理，并針對(duì)故障原因提出改進(jìn)措施。

［關(guān)鍵詞］發(fā)動(dòng)機(jī)；壓氣機(jī)；軸承故障

［中圖分類號(hào)］V263.6 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）05–0064–03

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，飛機(jī)的飛行安全和經(jīng)濟(jì)效益越來越被人們重視。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高度復(fù)雜的熱力機(jī)械系統(tǒng)，其內(nèi)部零部件和子系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全性，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承，是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受巨大負(fù)荷和極端工作環(huán)境的關(guān)鍵部件，其可靠性對(duì)于確保發(fā)動(dòng)機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行具有不可替代的重要性。

針對(duì)如何提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承的性能，國內(nèi)外諸多學(xué)者都進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過細(xì)致入微的失效分析，揭示航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承失效的內(nèi)在機(jī)理和外在誘因，如某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的球軸承由于安裝過程中的對(duì)中精度不足，導(dǎo)致軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損和失效?；蚰耻娪蔑w機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的球軸承，因?yàn)榘惭b過程中的不當(dāng)操作，使軸承在錐齒輪軸上出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，引發(fā)后軸承失效故障。

2 案例分析

2.1 案例實(shí)況

某型飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，遭遇了突發(fā)技術(shù)故障。飛機(jī)在6 000 m 高空平飛過程中，突然出現(xiàn)振動(dòng)值的異常變化，原本穩(wěn)定的1.2 g 左右的振動(dòng)值，在短時(shí)間內(nèi)躍升至3.5 g 左右，機(jī)組人員迅速做出反應(yīng)，收油門以嘗試降低飛行高度，但在下降過程中振動(dòng)值不僅沒有減小，反而繼續(xù)增大，說明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的問題惡化。當(dāng)飛行高度下降至1 200 多m 時(shí)，內(nèi)腔火警燈突然亮起，并持續(xù)閃爍4 s，緊急情況提示機(jī)組人員發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了高溫或燃燒現(xiàn)象，機(jī)組人員果斷采取人工順槳停車措施，確保飛機(jī)安全備降。

2.2 故障現(xiàn)象

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子卡滯問題，所以導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。為更全面了解故障原因，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面拆解和深入檢查。拆解過程中對(duì)每個(gè)部件都進(jìn)行了仔細(xì)觀察和檢查，發(fā)現(xiàn)以下問題：①壓氣機(jī)后軸承的保持架斷裂，滾子和內(nèi)環(huán)磨損嚴(yán)重，幾乎已經(jīng)無法正常使用，磨損和斷裂的部件影響了軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部分受損。②壓氣機(jī)后軸承的尺寸異常，判定是長時(shí)間使用或安裝不當(dāng)導(dǎo)致的，而且軸承與后軸頸發(fā)生了抱死現(xiàn)象，所以整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)楣?mark style="position:absolute;left:-100000px;">c0c85cf9102d9795765585b6dded37e225dceb03d7f9bce62a6eddae13c3d36a障無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。壓氣機(jī)后軸承的螺母分解力矩較小，也表明固定不夠牢固。

由于故障存在，轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)向前移動(dòng)情況，導(dǎo)致與靜子發(fā)生軸向碰磨，加劇了軸承的損壞，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的其他部分造成損壞。另外，壓氣機(jī)后軸承的鎖圈限位塊出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，加劇了軸承的損壞程度。檢查附件傳動(dòng)時(shí)顯得不夠靈活，推斷是由于潤滑不良或長時(shí)間使用導(dǎo)致的。綜合以上情況可以得出結(jié)論：壓氣機(jī)后軸承的損傷是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要原因，考慮到該軸承已經(jīng)工作了25 d，其磨損和損壞是不可避免的，要及時(shí)更換和修復(fù)受損部件，以及對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行檢查和調(diào)整，以恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 失效機(jī)理分析

對(duì)壓氣機(jī)后軸承、鎖圈及其相關(guān)配合件進(jìn)行系統(tǒng)性的拆解與深入的觀察，并且利用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)手段，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行詳盡的宏觀和微觀檢查，旨在全面了解損傷狀況和潛在的失效機(jī)制。

2.3.1 宏觀檢驗(yàn)階段

在宏觀檢驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注壓氣機(jī)后軸承的多個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，保持架作為軸承的重要組成部分，通過目視檢查和精密測(cè)量，發(fā)現(xiàn)保持架存在明顯的斷裂和破損現(xiàn)象，其形態(tài)呈現(xiàn)出不規(guī)則的碎片狀，表明在運(yùn)行過程中可能承受了過大的應(yīng)力或沖擊。此外對(duì)外環(huán)的外圓面和端面形貌進(jìn)行仔細(xì)檢查，區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的磨損和劃痕，表明在長期使用過程中可能受到異物侵入或潤滑不良的影響。而且軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)的跑道面呈現(xiàn)磨損跡象，診斷應(yīng)該是與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦和磨損有關(guān)。進(jìn)一步了解軸承內(nèi)部的損傷情況，還對(duì)軸承內(nèi)環(huán)的端面形貌和鋼球的表面狀況進(jìn)行檢查，同樣呈現(xiàn)出不同程度的磨損和劃痕，但相比之下程度較輕，可能由于鋼球和軸承內(nèi)環(huán)在設(shè)計(jì)和制造過程中采用較高的精度和耐磨性能。

2.3.2 斷口分析階段

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，保持架裂紋的斷口起源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶情況最嚴(yán)重，表明疲勞損傷已經(jīng)累積到一定程度，并在某些關(guān)鍵點(diǎn)上引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，裂紋在受到外部載荷或沖擊時(shí)迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致保持架的斷裂失效。

2.3.3 硬度評(píng)估與診斷

對(duì)軸承的關(guān)鍵部件，包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、鋼球及保持架進(jìn)行詳盡的硬度評(píng)估，通過精確的硬度檢測(cè)儀器和專業(yè)的技術(shù)人員操作，最終獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)：軸承的多個(gè)部位均存在過熱現(xiàn)象，由于在高速運(yùn)轉(zhuǎn)或負(fù)載過大時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量沒有及時(shí)散發(fā)出去，過熱現(xiàn)象直接導(dǎo)致軸承材料的硬度降低，使其低于技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，影響了軸承的正常使用壽命，還引發(fā)了嚴(yán)重的機(jī)械故障。

2.3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部物質(zhì)分析與溯源

為深入探究軸承失效的原因，對(duì)壓氣機(jī)后軸承回油濾收集的金屬碎片進(jìn)行全面的能譜分析，使用高端的分析儀器和精確的測(cè)量技術(shù)，得出確切結(jié)論：金屬碎片的材料為GCR15，與壓氣機(jī)后軸承的材料完全吻合，這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步分析軸承失效的原因提供重要線索。經(jīng)過對(duì)軸承的硬度評(píng)估和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部物質(zhì)的能譜分析，能夠發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)后軸承的故障確實(shí)是由其失效所引起的，失效的根源在于保持架因疲勞而斷裂，導(dǎo)致了鋼球、內(nèi)環(huán)、外環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到不均勻的壓力和摩擦，從而發(fā)生碾壓磨損，而且由于軸承失效后振動(dòng)增大，鎖圈也遭受疲勞斷裂的影響。

2.4 故障排查

經(jīng)過對(duì)壓氣機(jī)后軸承失效事件的深入分析，逐步揭開故障背后的復(fù)雜原因，此次失效事件不僅涉及軸承的安裝、潤滑和及制造質(zhì)量，還涉及材料科學(xué)、力學(xué)及熱處理工藝等多方面。

（1）安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行詳盡排查。檢查安裝過程中是否存在過度力矩、安裝環(huán)境是否潔凈等問題。

（2）潤滑系統(tǒng)方面也進(jìn)行了檢查。確保潤滑油的選擇符合規(guī)范，加注和更換都嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。潤滑不良是導(dǎo)致軸承失效的常見原因之一，要對(duì)此環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格把控，以避免因潤滑問題導(dǎo)致的軸承失效。

（3）關(guān)注軸承的制造質(zhì)量。通過對(duì)比分析多件大修的壓氣機(jī)后軸承尺寸數(shù)據(jù)，能發(fā)現(xiàn)尺寸脹大現(xiàn)象普遍存在，尺寸脹大不僅會(huì)影響軸承的精度和性能，還可能導(dǎo)致軸承在工作過程中發(fā)生異常摩擦和磨損。

通過分析后發(fā)現(xiàn)，軸承材料中殘余奧氏體含量較高是導(dǎo)致尺寸脹大的重要原因。殘余奧氏體作為亞穩(wěn)定組織，在一定溫度或長時(shí)間工作條件下容易發(fā)生相變，導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定。為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，開展多次保持架跌落試驗(yàn)：在試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過逐一排查和分析，排除了23 個(gè)底事件作為故障的直接原因，但仍有2 個(gè)底事件無法排除：軸承使用過程中尺寸不穩(wěn)定和保持架存在初始損傷。這2 個(gè)因素相互交織、相互影響，共同導(dǎo)致壓氣機(jī)后軸承的失效。具體見表1。

2.5 改進(jìn)措施

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承失效故障，尤其是在軸承尺寸不穩(wěn)定和保持架初始損傷方面，進(jìn)行深入的故障原因分析，并提出以下具體的改進(jìn)措施，以確保軸承的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5.1 軸承尺寸穩(wěn)定性的增強(qiáng)

針對(duì)軸承尺寸脹大的問題，對(duì)現(xiàn)有的熱處理工藝進(jìn)行全面優(yōu)化，深入研究后決定在淬火工藝后增加冷處理步驟，并且還在原有工藝中增加一次附加回火工序，通過特定的溫度和時(shí)間控制，進(jìn)一步釋放軸承內(nèi)部的加工應(yīng)力，并穩(wěn)定其內(nèi)部組織，減小軸承尺寸的波動(dòng)范圍。而且想要確保每一批次的軸承都符合高標(biāo)準(zhǔn)，必須執(zhí)行嚴(yán)格的抽樣檢測(cè)制度，采用先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)，對(duì)軸承的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行全面檢測(cè)。只有當(dāng)軸承的尺寸穩(wěn)定性符合既定的判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才可以被認(rèn)定為合格產(chǎn)品。

2.5.2 加強(qiáng)防護(hù)與運(yùn)輸過程中的安全措施

在軸承的制造和運(yùn)輸過程中要考慮保持架的安全問題，為防止保持架在運(yùn)輸過程中發(fā)生松散或跌落，在運(yùn)輸前，需用堅(jiān)固耐用的牛皮紙將保持架包裹嚴(yán)實(shí)，防止保持架在運(yùn)輸過程中受到外界環(huán)境的侵蝕和損傷，還可以減少因摩擦而產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。同時(shí)還要在牛皮紙的兩頭接口處使用高強(qiáng)度膠帶進(jìn)行十字交叉狀捆扎，該捆扎方式不僅可確保保持架在運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性，還可以有效防止因包裝破損而導(dǎo)致的保持架松散或跌落。包裝過程中必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，輕拿輕放，避免產(chǎn)生任何碰撞或包裝破損，否則任何微小的損傷都可能對(duì)保持架的性能和壽命產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的影響。部分企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)了堅(jiān)固耐用的專用紙箱，具有良好的抗壓和抗沖擊性能，可有效保護(hù)內(nèi)部保持架不受損壞。并且在裝箱時(shí)會(huì)用泡沫、海綿或軟性填充紙等減振材料填充空余處，確保內(nèi)部的保持架在運(yùn)輸過程中不會(huì)晃動(dòng)或碰撞。

3 結(jié)束語

通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后軸承失效故障的綜合分析，了解到原因包括設(shè)計(jì)缺陷、材料疲勞、運(yùn)行環(huán)境惡劣、維護(hù)不當(dāng)?shù)取Ｔ诂F(xiàn)代航空工業(yè)中，壓氣機(jī)后軸承的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能至關(guān)重要。為預(yù)防類似故障的發(fā)生，需要從設(shè)計(jì)、材料、制造、運(yùn)行及維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)綜合考慮。未來希望廣大航空從業(yè)人員和研究者繼續(xù)關(guān)注軸承失效問題，加強(qiáng)相關(guān)研究和技術(shù)創(chuàng)新，不斷提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁同燕，滿維偉．某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)前軸承剝落原因分析與改進(jìn)[J]. 軸承，2019（8）：30-33.

[2] 李密，周伯寧．某型飛機(jī)用軸承失效原因探析[J]. 熱加工工藝，2019，48（4）：256-262.

[3] 李子麟，時(shí)振剛，鐵曉艷，等．重型磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落保護(hù)軸承失效機(jī)理[J]. 中國機(jī)械工程，2023，34（9）：109-118.