航空發(fā)動機加力泵斜盤軸承內(nèi)罩凸出故障分析及預(yù)防

閆冬，胡燕鳴，郭欣達，王洪

(1.空軍駐安順地區(qū)軍事代表室，貴州 安順 561000；2.貴州天馬虹山軸承有限公司，貴州 安順 561000)

某型航空發(fā)動機試車到270 h時出現(xiàn)加力接不通故障，分解檢查發(fā)現(xiàn)，加力泵中心油濾、偏心輪、進口油濾、柱塞孔、轉(zhuǎn)子腔等處均有金屬屑，轉(zhuǎn)子組件柱塞全部卡死在下死點處，加力泵無法正常工作。為此，采用故障樹分析方法對故障原因進行研究。

1 故障現(xiàn)象

故障軸承為推力球軸承，主要由軸圈、座圈、鋼球、保持架和內(nèi)罩構(gòu)成,因軸圈工作表面呈斜盤狀，也常稱其為斜盤軸承。其中套圈和鋼球材料為Cr4Mo4V高溫軸承鋼，保持架材料為QAl10-3-1.5鋁青銅，內(nèi)罩材料為08Al低碳鋼。

柱塞頭工作表面及與其相接觸的斜盤軸承軸圈工作表面均出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，分別如圖1、圖2所示。

圖1 柱塞頭工作表面

圖2 斜盤軸承軸圈工作表面

將斜盤軸承從軸承殼體內(nèi)取出后觀察發(fā)現(xiàn)，軸圈外徑面和座圈外徑面均有沿圓周方向一周的明顯摩擦痕跡(圖3)，軸承殼體內(nèi)徑表面和底部也有明顯摩擦痕跡(圖4)。

圖3 軸承軸圈和座圈外徑表面

圖4 軸承殼體內(nèi)徑和底部

軸承軸圈與內(nèi)罩接觸并留下明顯摩擦痕跡(圖5)，軸承內(nèi)罩凸出座圈端面，二者之間出現(xiàn)一周不等距間隙(圖6)。

圖5 軸承軸圈與內(nèi)罩接觸摩擦

圖6 軸承內(nèi)罩凸出座圈端面

分解斜盤軸承檢查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)罩鎖口邊緣出現(xiàn)沿圓周方向的磨損亮帶，露出金屬材料基體(圖7)，內(nèi)罩與座圈端面接觸部位沿圓周方向有一周接觸亮痕(圖8)。

圖7 軸承內(nèi)罩鎖口邊緣磨損

圖8 內(nèi)罩與座圈端面接觸部位亮痕

2 故障原因分析

斜盤軸承內(nèi)罩凸出座圈端面問題是分析該起發(fā)動機加力接不通故障的關(guān)鍵。由于該問題極具偶然性，無法進行故障再現(xiàn)，因此采用故障樹分析法進行分析[1-4]。把斜盤軸承內(nèi)罩凸出問題作為頂事件，建立如圖9所示的故障樹。

圖9 斜盤軸承內(nèi)罩凸出故障樹

2.1 軸承制造質(zhì)量排查

2.1.1 原材料質(zhì)量復(fù)查

經(jīng)對軸承原材料進行復(fù)查，軸承零件材料均按GJB 269—1987《航空滾動軸承技術(shù)條件》進行控制，并經(jīng)廠家及軸承廠檢驗合格。對故障軸承零件進行理化檢測，各項指標(biāo)均合格，未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。

2.1.2 生產(chǎn)過程復(fù)查

該軸承為成熟產(chǎn)品，軸承零件均為批量生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，經(jīng)查故障批軸承零件生產(chǎn)情況及過程質(zhì)量記錄，加工質(zhì)量穩(wěn)定，無異常。對故障軸承零件進行金相和硬度檢測，結(jié)果符合GJB 269—1987要求，熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。

2.1.3 壓裝過程復(fù)查

軸承內(nèi)罩壓裝分為預(yù)壓罩和整體壓罩兩步：預(yù)壓罩是將軸承座圈和內(nèi)罩放入模具中進行壓裝，使軸承內(nèi)罩壓入座圈(圖10)；整體壓罩是將完成預(yù)壓罩的軸承座圈、軸圈、鋼球和保持架組合后放入模具中進行壓裝(圖11)。為復(fù)查軸承壓裝過程，進行多次壓裝試驗，包括：將內(nèi)罩斜置進行預(yù)壓罩、在軸承座圈與模具間放置異物進行預(yù)壓罩、墊斜底模進行預(yù)壓罩、調(diào)整壓力機行程進行壓裝等，均無法壓裝出內(nèi)罩凸出座圈端面的軸承，因此可以排除壓裝過程導(dǎo)致的內(nèi)罩原始凸出的情況。

1—下模；2—上模；3—內(nèi)罩；4—座圈

1—上模；2—導(dǎo)柱；3—限位塊；4—內(nèi)罩；5—軸承；6—下模

2.1.4 軸承質(zhì)量復(fù)查

故障軸承可以正常旋轉(zhuǎn)，無卡滯，軸承分解后檢測軸承零件尺寸精度，除軸承工作表面及安裝配合表面磨損、變形部位外，其余各項尺寸精度符合軸承產(chǎn)品圖樣規(guī)定要求，軸承質(zhì)量合格。

2.2 軸承設(shè)計質(zhì)量排查

斜盤軸承的額定壽命為

Lh=106(C/P)/(60n)=16 667(C/P)ε/n，

式中：C為基本額定動載荷，N；P為當(dāng)量動載荷，N；ε為壽命指數(shù)，根據(jù)GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》，取ε=3；n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min。通過理論計算，該軸承在載荷最大點的壽命值遠大于加力泵使用壽命。

斜盤軸承已服役30多年，廣泛用于航空發(fā)動機燃油泵、加力泵等油泵，經(jīng)過長期驗證，可以滿足油泵使用要求，軸承設(shè)計滿足要求。

2.3 軸承安裝質(zhì)量排查

2.3.1 安裝過程復(fù)查

軸承座圈與軸承殼體是過渡配合，安裝軸承時將軸承壓入軸承殼體即可，加力泵轉(zhuǎn)子組件9個柱塞頭部頂緊在斜盤軸承軸圈工作斜盤面，通過鋼球傳遞壓力將軸承座圈壓緊在軸承殼體底部。安裝工藝規(guī)定用塞規(guī)檢查軸承座圈與軸承殼體底部間的間隙量不大于0.5 mm。經(jīng)復(fù)查安裝過程及質(zhì)量記錄，實測間隙量為0.2～0.4 mm，滿足工藝要求，安裝過程無異常。

2.3.2 發(fā)動機試車參數(shù)復(fù)查

對發(fā)動機試車參數(shù)進行復(fù)查，故障發(fā)生前各項參數(shù)均在正常范圍，亦無較大波動。軸承安裝質(zhì)量問題導(dǎo)致的故障均發(fā)生在工作早期，不會到270 h時才出現(xiàn)故障，早期各項試車參數(shù)均無異常，所以可以排除軸承安裝質(zhì)量問題。

2.4 異物混入排查

從分解檢查情況可以確定，金屬屑堵塞柱塞孔，轉(zhuǎn)子組件的9個柱塞全部卡死是導(dǎo)致加力泵不能正常工作、發(fā)動機出現(xiàn)加力接不通故障的直接原因。對加力泵內(nèi)中心油濾、偏心輪、進口油濾、柱塞孔、轉(zhuǎn)子腔等各處的金屬屑進行能譜分析，其主要成分是Fe，C，O元素，含有少量Cr，Mo，V，Si，Ag等元素，均為軸承和柱塞材料成分，因此排除異物混入的可能。

2.5 運輸過程排查

該發(fā)動機試車至250 h左右時曾進行過轉(zhuǎn)廠，后又繼續(xù)進行試車。借鑒以往經(jīng)驗，曾有發(fā)動機轉(zhuǎn)廠過程中，由于拆卸安裝、搬運裝箱以及交通路況不好等因素影響，產(chǎn)生振動，出現(xiàn)軸承脫離軸承殼體的情況。斜盤軸承與軸承殼體間存在一定間隙，操作者拆卸軸承時采用敲擊振動的方式，因此，存在外部振動致使軸承脫離軸承殼體底部的可能性。

3 故障機理分析

斜盤軸承內(nèi)罩的主要作用是連接軸承座圈和軸圈，確保軸承在運輸、安裝時不會發(fā)生散套問題。正常工作情況下，軸承軸圈被柱塞頭頂緊，內(nèi)罩不會與其接觸。一旦軸承座圈脫離軸承殼體底部，軸承就會產(chǎn)生偏斜，柱塞頭在軸圈斜盤面上的頂緊力會變得不均勻，使軸承軸圈出現(xiàn)受力不平衡，導(dǎo)致軸圈與內(nèi)罩接觸，出現(xiàn)磨損，產(chǎn)生金屬屑，金屬屑進入柱塞孔，導(dǎo)致柱塞卡死，軸承受力越來越不平衡。系統(tǒng)的非正常運轉(zhuǎn)，必將導(dǎo)致柱塞頭表面與斜盤軸承工作表面也發(fā)生磨損，產(chǎn)生的金屬屑增多，使轉(zhuǎn)子組件的柱塞全部卡死。另一方面，軸承軸圈與內(nèi)罩接觸產(chǎn)生作用力F，相對內(nèi)罩與座圈接觸的固定點O點產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩M=FL(圖12，圖中L為作用力F對點O的力臂)，在M作用下，內(nèi)罩逐漸脫離座圈端面，出現(xiàn)間隙。內(nèi)罩凸出量越來越大，直至與軸承殼體底部接觸并產(chǎn)生相對滑動，在軸承殼體底部留下一小段明顯痕跡。

圖12 斜盤軸承內(nèi)罩凸出機理圖

通過故障分析可知，故障原因為發(fā)動機在轉(zhuǎn)廠過程中產(chǎn)生振動因素，導(dǎo)致加力泵斜盤軸承脫離了軸承殼體底部，再次恢復(fù)試車后斜盤軸承與軸承殼體間出現(xiàn)偏斜，工作中軸承軸圈與內(nèi)罩相接觸，并產(chǎn)生磨損。

4 預(yù)防措施

1) 加強發(fā)動機運輸過程控制

采取必要的減震保護措施，此外，在發(fā)動機運輸完成后，應(yīng)采取有效的檢查手段，確保內(nèi)部類似斜盤軸承這種以過渡配合安裝的軸承保持其正確的安裝位置。

2) 加強軸承內(nèi)罩與軸圈間隙的控制

軸承內(nèi)罩與軸圈異常接觸并發(fā)生磨損是金屬屑產(chǎn)生的直接原因，為進一步提高軸承可靠性，避免軸承內(nèi)罩與軸圈的異常接觸，還要加強對軸承內(nèi)罩與軸圈間隙量控制，合理確定內(nèi)罩壓裝后的鎖口開口尺寸，同時加強軸承軸向串動量的控制。

3) 加強軸承安裝質(zhì)量控制

為避免類似問題發(fā)生，更要加強軸承安裝質(zhì)量的監(jiān)控與檢查，避免軸承出現(xiàn)脫出殼體、偏斜等情況。