直升機(jī)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)軸承損壞故障分析

程 承,洪 彬,張 偲,王 磊

(陸裝駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍代室,江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

目前飛機(jī)主要是通過差動(dòng)剎車、非對(duì)稱推力或操縱前輪轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎[1-2]。自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)能夠使尾輪具備很好的離地后回中能力[3-4]。

在某次對(duì)直升機(jī)進(jìn)行定檢時(shí),發(fā)現(xiàn)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)右側(cè)軸承外圈發(fā)生破壞。問題發(fā)生后,對(duì)同型機(jī)其余架機(jī)進(jìn)行了普查,發(fā)現(xiàn)另有3架機(jī)軸承均存在外圈斷裂的情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),斷裂的軸承外圈標(biāo)記均為同一家生產(chǎn)廠家。

1 自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)工作特性

尾輪自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)組件、凸輪和連接件組成,凸輪通過插銷安裝于輪叉上,驅(qū)動(dòng)組件安裝于搖臂上。驅(qū)動(dòng)組件主要由支座、支座襯套、彈簧、彈簧襯套、雙耳活塞桿、軸承、平頭軸、調(diào)整螺母、調(diào)整螺母襯套和防轉(zhuǎn)片組成。輪叉偏轉(zhuǎn)時(shí),凸輪推動(dòng)活塞桿壓縮彈簧。直升機(jī)在輪叉偏轉(zhuǎn)情況下離地后,活塞桿在彈簧作用下前移,對(duì)凸輪形成一個(gè)回中力矩,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪叉轉(zhuǎn)動(dòng),直到尾輪回到中立位置。

2 故障原因定位

針對(duì)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)軸承損壞情況,結(jié)合自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析,可能存在的原因有:軸承的性能不滿足使用要求,軸承出現(xiàn)有害變形和軸承滾道出現(xiàn)壓傷。具體分析如下:

2.1 軸承性能分析

2.1.1 軸承承載能力分析

不考慮沖擊載荷的情況下,尾輪偏轉(zhuǎn)110°～180°,軸承受的載荷最大,此時(shí)彈簧載荷為632 N,軸承載荷為725.9 N。詳見表1。

表1 軸承載荷理論計(jì)算表

在試驗(yàn)室對(duì)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的極限載荷進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試位置在活塞桿前端。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 軸承載荷測(cè)試數(shù)據(jù)表

選用的軸承為工業(yè)級(jí)軸承。技術(shù)人員提供的軸承性能數(shù)據(jù)為:額定徑向動(dòng)態(tài)載荷1.86 kN;額定徑向靜態(tài)載荷0.92 kN。而故障復(fù)查時(shí)查詢其官方電子手冊(cè)發(fā)現(xiàn)其軸承性能數(shù)據(jù)如下:額定徑向靜態(tài)載荷0.585 kN;額定徑向動(dòng)態(tài)載荷1.53 kN。

軸承一般都是安裝到支座內(nèi)使用的,而該產(chǎn)品軸承外圈直接作為滾輪使用。這種使用方式會(huì)增大外圈的使用應(yīng)力,導(dǎo)致軸承承載能力下降。軸承承載能力下降程度無(wú)理論分析依據(jù)和參考經(jīng)驗(yàn),研制時(shí)通過19.2萬(wàn)次耐久性試驗(yàn),未出現(xiàn)軸承破壞。

針對(duì)軸承外圈直接作為滾輪使用和外圈有支撐保護(hù)使用兩種情況,進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。軸承外圈直接作為滾輪使用時(shí),比外圈有支撐保護(hù)使用時(shí)的承載能力下降了40%。

軸承使用過程的最大載荷為845 N,超出了電子手冊(cè)規(guī)定的軸承徑向靜態(tài)載荷(0.585 kN),很有可能是造成故障的原因。

2.1.2 軸承材料質(zhì)量分析

1)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)選用的軸承為深溝球鋼珠軸承,為標(biāo)準(zhǔn)件。手冊(cè)中無(wú)材料與熱處理信息。因外圈同時(shí)也斷裂,采用徑向極限載荷試驗(yàn)測(cè)試軸承徑向承載能力,并進(jìn)行斷口分析、材料成分等方式排查。徑向極限載荷試驗(yàn)排查情況如下:

試驗(yàn)時(shí)選取了5個(gè)軸承進(jìn)行了徑向極限載荷測(cè)試,其中2件為裝機(jī)軸承廠家生產(chǎn)的,3件為其他廠家生產(chǎn)的。對(duì)外圈極限載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)用廠家提供的換算公式進(jìn)行換算(極限載荷是額定靜態(tài)載荷的7.5倍):裝機(jī)軸承廠家生產(chǎn)的軸承徑向額定靜態(tài)載荷為466.4 N～539.3 N,不滿足產(chǎn)品手冊(cè)規(guī)定的要求(0.585 kN);某廠家生產(chǎn)的軸承徑向額定靜態(tài)載荷約為697.3 N,比裝機(jī)廠家生產(chǎn)的軸承高出近30%。

2)選取了3架機(jī)的裝機(jī)軸承(含非故障件)進(jìn)行斷口及材料分析檢查,基本情況如下:

①幾架機(jī)的故障軸承斷裂特征相似:宏觀均是外圈有一處沿軸向發(fā)生斷裂,斷口無(wú)明顯塑性變形,斷裂起始于外圈內(nèi)表面?zhèn)?微觀主要呈韌窩及沿晶特征,與人為打斷軸承外圈斷口一致。這表明3架機(jī)故障軸承的斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

②幾架機(jī)的軸承的組織與硬度差異較大,其中一架機(jī)的軸承晶粒較粗大,容易發(fā)生過載斷裂。

③軸承外圈、內(nèi)圈或內(nèi)外圈存在坑狀擠壓損傷和不均勻的接觸痕跡,表明軸承存在受力不均的情況。這種情況會(huì)更加劇導(dǎo)致軸承外圈失效。

根據(jù)軸承徑向極限載荷測(cè)試及故障件斷口分析結(jié)果,法國(guó)生產(chǎn)的軸承性能不穩(wěn)定,同等情況比意大利生產(chǎn)的軸承承載能力差20%,不滿足軸承手冊(cè)規(guī)定的要求,很可能成為故障原因。

2.2 軸承出現(xiàn)有害變形分析

參考《QAVIC 02147 2014 航空機(jī)體球軸承通用規(guī)范》進(jìn)行軸承徑向載荷試驗(yàn)顯示:軸承在承受3500 N后,出現(xiàn)卡滯,軸承出現(xiàn)有害變形,很可能成為故障原因。

2.3 軸承滾道出現(xiàn)壓傷情況分析

經(jīng)檢查,損壞的軸承出現(xiàn)滾道壓傷情況。導(dǎo)致軸承有害變形和滾道出現(xiàn)壓傷發(fā)生的原因?yàn)檩S承設(shè)計(jì)承載能力不足或者軸承質(zhì)量不穩(wěn)定。通過排查,導(dǎo)致軸承損壞的故障原因是:①軸承選用不合理,選用的軸承徑向額定靜態(tài)載荷(585 N)低于使用過程中可能的出現(xiàn)最大載荷(845 N);②交付裝機(jī)的軸承質(zhì)量不穩(wěn)定,其徑向額定靜態(tài)載荷(466.4 N～539.3 N)不滿足該軸承規(guī)定的徑向額定靜態(tài)載荷(585 N)要求。

3 解決措施

根據(jù)前文分析,軸承外圈使用過程中出現(xiàn)斷裂的根本原因是軸承擠壓強(qiáng)度不足,使用過程中滾道產(chǎn)生較大永久性有害變形,這種有害變形會(huì)降低外圈內(nèi)表面的承拉能力。因此,解決軸承故障的措施可以是:提高軸承滾道抗擠壓能力和外圈內(nèi)表面抗拉能力,或降低軸承使用過程的擠壓和軸承外圈內(nèi)表面拉應(yīng)力。依據(jù)測(cè)試的軸承最大載荷845 N和相關(guān)的換算關(guān)系,軸承破壞載荷應(yīng)為3802.5～6337.5 N。綜合考慮采購(gòu)軸承承載能力存在波動(dòng)以及前期多次測(cè)試的結(jié)果,要求軸承壓完襯套后能承受≥6200 N的載荷。6200 N對(duì)應(yīng)的球軸承系數(shù)R約為4.9。

為解決軸承損壞問題,采用以下措施:

1)采用在軸承上增加襯套保護(hù)的改進(jìn)方案可以有效降低軸承使用過程的擠壓和軸承外圈內(nèi)表面拉應(yīng)力。在軸承外圈增加1.5 mm厚的不銹鋼襯套,改善軸承受力環(huán)境,降低軸承使用過程的擠壓和軸承外圈內(nèi)表面拉應(yīng)力。改進(jìn)后軸承外圈最大應(yīng)力(內(nèi)側(cè)滾道區(qū))從590 MPa下降到290 MPa。

2)為了確保軸承質(zhì)量的穩(wěn)定性,批次件數(shù)不超過100件軸承(不同產(chǎn)地軸承不能算一批次)抽樣3件,100件以上抽樣5件進(jìn)行徑向極限載荷測(cè)試(加載點(diǎn)為兩個(gè)鋼珠中間位置),軸承破壞載荷≥6200 N。

4 驗(yàn)證情況

產(chǎn)品改進(jìn)后,進(jìn)行了功能、性能、壽命及改進(jìn)效果驗(yàn)證。結(jié)果表明,改進(jìn)后產(chǎn)品滿足產(chǎn)品協(xié)議書要求。

1)滾輪徑向承載能力

本試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證改進(jìn)后的自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)滾輪徑向承載能力是否有較大提升,并能滿足使用承載要求。選取了4件自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)滾輪進(jìn)行徑向加載試驗(yàn)。滾輪徑向承載試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的帶襯套軸承徑向額定載荷不小于926 N,比原軸承徑向額定載荷(585 N)提升了58.3%,能滿足自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)最大載荷845 N的使用要求。

2)回中性能及耐久性試驗(yàn)

回中性能試驗(yàn)依次對(duì)自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)工作時(shí)的12個(gè)角度進(jìn)行了回中性能測(cè)試,并用秒表記錄了每次自動(dòng)回中的時(shí)間。各個(gè)角度自動(dòng)回中時(shí)間最小值為0.31 s,最大值為0.88 s,均未超過1 s。順時(shí)針360°轉(zhuǎn)動(dòng)5次,逆時(shí)針360°轉(zhuǎn)動(dòng)5次,襯套及軸承均未出現(xiàn)變形或裂紋。試驗(yàn)結(jié)果表明,軸承加襯套后的回中機(jī)構(gòu)自動(dòng)回中性能滿足設(shè)計(jì)要求。

改進(jìn)后的自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)按照任務(wù)書要求完成了全壽命耐久性試驗(yàn),共計(jì)22.4萬(wàn)次偏轉(zhuǎn),19.2萬(wàn)次尾輪小幅偏擺的循環(huán)。試驗(yàn)后進(jìn)行了試驗(yàn)件檢查,檢查情況如下:①試驗(yàn)后試驗(yàn)件完好,無(wú)破壞情況;②完成試驗(yàn)后,自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)仍具備自動(dòng)回中能力,回中時(shí)間均在2 s以內(nèi)。

由于回中耐久性按次數(shù)計(jì)算,而全機(jī)壽命按飛行小時(shí)數(shù)計(jì)算,所以應(yīng)將回中耐久性試驗(yàn)次數(shù)換算成直升機(jī)飛行小時(shí)數(shù)。按照每飛行小時(shí)對(duì)應(yīng)直升機(jī)4次起落,每次起落按4次回中考慮(2次典型角度、2次小角度),分散系數(shù)取2,故(192000+192000)/4/4/2=12000,即全壽命耐久性試驗(yàn)偏轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)應(yīng)12000飛行小時(shí)。換算后表明:改進(jìn)后的自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)具備12000飛行小時(shí)耐久性壽命。

3)裝機(jī)驗(yàn)證情況

完成性能試驗(yàn)和階段耐久性驗(yàn)證后,數(shù)架機(jī)換裝改進(jìn)后的自動(dòng)回中機(jī)構(gòu),進(jìn)行了領(lǐng)先使用驗(yàn)證:自動(dòng)回中機(jī)構(gòu)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,外觀檢查正常,產(chǎn)品回中功能和性能正常。