航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承質(zhì)量控制研究

王　斌，曲文浩

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承質(zhì)量控制研究

王斌，曲文浩

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、高溫的條件下工作，其健康狀態(tài)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)能否安全使用乃至飛行員的生命安全。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承在工廠試車后多次出現(xiàn)麻點(diǎn)、壓傷超標(biāo)等早期故障，已經(jīng)成為制約該型發(fā)動(dòng)機(jī)科研生產(chǎn)任務(wù)的關(guān)鍵因素，因此，有必要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承從入廠到試車后檢查的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，加強(qiáng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過程控制。本文針對(duì)某軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承多發(fā)性故障，結(jié)合統(tǒng)計(jì)工作，進(jìn)行合理的過程控制，結(jié)果表明在落實(shí)主軸軸承質(zhì)量控制過程后，主軸軸承報(bào)廢數(shù)量明顯減少。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；軸承；故障；過程控制

1　前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承故障是發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障之一，主軸軸承工作條件惡劣，極易發(fā)生故障。飛機(jī)在飛行過程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承發(fā)生故障，輕者影響到飛行任務(wù)的完成，重者造成機(jī)毀人亡的惡劣事故［1-3］。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承制造技術(shù)起步較晚，雖然在80年代后期取得了較大發(fā)展，但與歐美等航空軸承強(qiáng)國(guó)相比，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承材料、試驗(yàn)手段等方面尚有較大差距，目前，軸承試車后故障已經(jīng)成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)交付的瓶頸問題之一，因此，對(duì)主軸軸承進(jìn)行質(zhì)量控制以提高軸承合格率很有必要。軸承故障種類較多，依據(jù)故障發(fā)生的原因大致可以歸結(jié)到工作條件、顆粒異物、軸承材料 3 類［4，5］。第一類主要是由于軸承惡劣的工作條件如高溫、高速、高DN值等引起，故障主要有打滑蹭傷、剝落、保持架和套圈斷裂等；第二類主要是由于顆粒異物引起，主要有磨粒引起的損傷、壓痕引起的損傷、工作表面或次表面大碳化物等夾雜物引起的損傷；第三類故障是軸承材料本身的原因。

本文針對(duì)某軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承故障，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與各支點(diǎn)軸承的特點(diǎn)對(duì)軸承報(bào)廢原因進(jìn)行深入研究，結(jié)合故障統(tǒng)計(jì)工作，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承從入廠到試車后檢查的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，加強(qiáng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過程控制，提高了軸承合格率，減少了經(jīng)濟(jì)損失，在一定程度上達(dá)到了避免發(fā)動(dòng)機(jī)事故的目的。

2　研究對(duì)象

某小涵道比雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)共有 5 個(gè)支點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低壓轉(zhuǎn)子用 5 個(gè)支點(diǎn)支承，其中高壓轉(zhuǎn)子支承形式為1-0-1，即前端以高壓壓氣機(jī)前軸頸支承在No.3球軸承上，后端以高壓渦輪后軸頸支承在No.4滾子軸承上，且No.4滾子軸承為高、低壓渦輪軸間軸承；低壓轉(zhuǎn)子支承形式為1-1-1，即前端以風(fēng)扇一級(jí)盤前軸頸支承在No.1球軸承上，中部以風(fēng)扇后軸頸支承在No.2滾子軸承上，后端以低壓渦輪軸后軸頸支承在No.5滾子軸承上，如圖 1 所示。

圖1　 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和支點(diǎn)示意圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，No.2、No.4、No.5滾子軸承報(bào)廢數(shù)量較多，且麻點(diǎn)壓坑故障均是工廠試車后軸承報(bào)廢的主要原因，因此對(duì)該故障進(jìn)行深入研究與防控是改善軸承報(bào)廢狀態(tài)的主要方向。

麻點(diǎn)故障形貌為黑色細(xì)小點(diǎn)狀凹坑，直徑一般在0.2mm以下，如圖 2 所示，表面拋修后呈縱深形分支狀擴(kuò)散。麻點(diǎn)故障損壞軸承滾動(dòng)表面的粗糙度，并且也降低了軸承的使用性能與防銹性能，同時(shí)該故障軸承如繼續(xù)使用，麻點(diǎn)還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展轉(zhuǎn)變成更大的故障。而壓坑故障是滑油系統(tǒng)中金屬異物或砂粒等非金屬黑色物質(zhì)壓傷造成，較大的壓坑造成軸承不能繼續(xù)使用而報(bào)廢。壓坑形貌一般為圓形凹坑，一般沒有麻點(diǎn)故障的擴(kuò)展特性，但有集中發(fā)生特性，會(huì)出現(xiàn)大壓坑邊緣有小壓坑的現(xiàn)象，如圖 3 所示，一般為異物較多或較大異物經(jīng)過擠壓后碎裂壓成小坑造成，繼續(xù)擠壓形成多個(gè)壓坑。

3　故障分析

圖2　滾道麻點(diǎn)故障

圖3　滾子壓坑故障

由于軸承制造問題造成的軸承故障幾率較小，同時(shí)限于專業(yè)限制，重點(diǎn)對(duì)裝配過程控制問題產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)生軸承麻點(diǎn)、壓坑故障的原因主要有幾個(gè)方面［6，7］：

一方面為銹蝕。由于生產(chǎn)軸承的材料為軸承鋼，含碳量高，易氧化，存放過程的空氣氧化是產(chǎn)生銹蝕的一個(gè)主要因素；赤手接觸軸承，由于手上產(chǎn)生的汗液中含有水分與鹽，形成電離反應(yīng)，加速氧化作用；試驗(yàn)或工作的滑油、潤(rùn)滑脂中含有水分也會(huì)造成軸承銹蝕現(xiàn)象，銹蝕較深或工作過程中擴(kuò)散形成麻點(diǎn)故障，一般此類麻點(diǎn)向基體有較深的縱向延展。

另一方面為異物壓傷。由于滑油系統(tǒng)中黑色異物在軸承工作時(shí)壓傷軸承。某型發(fā)動(dòng)機(jī)由于滑油系統(tǒng)的特點(diǎn)，存在黑色異物的原因有如下幾類：

（1）封嚴(yán)面磨損掉落。該發(fā)動(dòng)機(jī)大部分采用的是空氣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，密封面為蜂窩狀涂層，在工作中存在磨損。蜂窩表面是采取電火花加工形成的，蜂窩的表面存在金屬材料融化的顆粒與金屬氧化物；涂層為金屬或金屬化合物的粉末，磨損掉落后的材料硬度較高。

（2）空氣系統(tǒng)的涂層粉末或異物。太行發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)大量采用了涂層材料密封，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)葉尖與涂層刮磨下來的粉末順空氣進(jìn)入封嚴(yán)部位，進(jìn)入滑油系統(tǒng)；空氣系統(tǒng)機(jī)件如導(dǎo)向葉片加工過程中使用吹砂工藝，砂粒很容易形成殘留。

（3）涂層加工過程切屑?xì)埩?。為保證封嚴(yán)環(huán)的同軸度，No.3、No.5軸承封嚴(yán)環(huán)為組合后加工，加工時(shí)采取一定的保護(hù)措施，但由于結(jié)構(gòu)限制，涂層切屑易殘留在滑油腔中。

（4）導(dǎo)管中均在砂粒。導(dǎo)管加工過程折彎時(shí)采取填充物方式保持導(dǎo)管材料延展不產(chǎn)生局部凹陷。12mm以下的導(dǎo)管采用灌入松香方式，12mm以上采用灌入砂子的方式，砂子在管路折彎后形成了靜電吸附作用，不易清除，進(jìn)入滑油系統(tǒng)造成軸承壓傷；在管路與接頭焊接后，表面焊道處理時(shí)采用了砂紙打磨方式，也很容易造成金剛砂殘留問題。砂紙中的金剛砂表面含有粘接劑，也是較難清除的多余物。

（5）鑄造表面砂子殘留與表面氧化物脫落也是造成滑油系統(tǒng)異物的一個(gè)方面。

去除銹蝕造成軸承麻點(diǎn)故障的因素外，造成軸承麻點(diǎn)、壓坑故障的原因主要是滑油系統(tǒng)中存有多余物造成，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤，主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的一些機(jī)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易藏匿異物，包括加工金屬屑、打磨使用的砂紙上掉落的金剛砂、工藝輔料等，如中介機(jī)匣滑油管與傳動(dòng)桿通過的腔中在加工過程中易存在金屬屑與金剛砂殘留，在工作中異物直接進(jìn)入中軸承腔，給No.2滾子軸承和No.3球軸承帶來極大隱患。

4　軸承工作流程分析

軸承廠內(nèi)周轉(zhuǎn)工作流程如圖 4 所示，對(duì)管理過程中存在的問題的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

圖4　軸承廠內(nèi)周轉(zhuǎn)工作流程圖

軸承入廠需要對(duì)軸承質(zhì)量進(jìn)行入廠檢查，檢查過程中需要對(duì)軸承主要尺寸、軸承游隙、軸承表面質(zhì)量進(jìn)行檢查。軸承尺寸檢查需要送計(jì)量中心，軸承游隙在工廠軸承測(cè)量間進(jìn)行，軸承表面質(zhì)量檢查需要送故檢班組。軸承質(zhì)量檢查至少經(jīng)過三個(gè)部門，其中的人員操作、油封防銹管理等方面存在不確定因素，對(duì)軸承存在管理隱患。

工廠試車后仍然需要對(duì)軸承質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查過程中需要對(duì)軸承主要尺寸、軸承游隙、軸承表面質(zhì)量進(jìn)行檢查。軸承尺寸檢查需要送計(jì)量中心、軸承游隙在工廠軸承測(cè)量間進(jìn)行、軸承表面質(zhì)量檢查需要送故檢班組，與入廠一樣的流程走一遍。

經(jīng)過調(diào)研同類工廠，針對(duì)軸承專項(xiàng)工作要在專業(yè)的工作區(qū)域，有專業(yè)人員進(jìn)行。同時(shí)不必多處周轉(zhuǎn)，工作完成后軸承真空包裝，裝配時(shí)只需打開包裝就可以直接裝配，也省卻了裝前使用汽油清洗的工序。

5　質(zhì)量控制過程

主要控制措施有以下幾個(gè)方面：

（1）相關(guān)軸承操作的清潔度控制

接觸軸承必須戴絹布手套，無包裝軸承運(yùn)輸過程使用木質(zhì)專用盒，盒內(nèi)要鋪有麂皮，不能與其它零件混放，防止軸承污染與磕碰。涉及軸承的零件裝前汽油清洗，其余工裝保證清潔，對(duì)心棒飛邊進(jìn)行修磨，確保不產(chǎn)生多余物。工作中要保持工作臺(tái)案清潔，不能存在顆粒狀異物。

（2）滑油清潔度控制

加強(qiáng)對(duì)試驗(yàn)器油品的監(jiān)控，提高滑油清潔度，沖洗試驗(yàn)器要能夠?qū)崿F(xiàn)良好的沖洗效果與滑油清潔度的控制效果，提升機(jī)件沖洗效果，提高滑油系統(tǒng)清潔度?；蜎_洗機(jī)將滑油定期過濾、更換，油箱定期清洗，油濾定期清洗，滑油定期檢測(cè)油品質(zhì)量，滑油清潔度要保證在發(fā)動(dòng)機(jī)滑油清潔度控制要求范圍內(nèi)。

6　方案實(shí)施成果分析

方案實(shí)施后某主軸承單臺(tái)報(bào)廢率由56.56%下降到47.06%，過程控制質(zhì)量明顯提高，說明控制措施效果良好。但統(tǒng)計(jì)方案實(shí)施后某年主軸承報(bào)廢情況，各月軸承報(bào)廢率差異較大，不能趨于穩(wěn)定區(qū)間，如圖 5 所示。可見全年軸承過程控制質(zhì)量有所提高，但質(zhì)量水平并不穩(wěn)定，仍需要持續(xù)改進(jìn)控制過程，對(duì)過程規(guī)范性與技術(shù)能力提高方面進(jìn)行系統(tǒng)改善，將軸承過程控制質(zhì)量穩(wěn)定在較高水平。

圖5　某年主軸承各月報(bào)廢率統(tǒng)計(jì)圖

7　結(jié)束語

本文針對(duì)某軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承故障幾率較高的壓坑、麻點(diǎn)現(xiàn)象，從發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與各支點(diǎn)軸承的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)軸承報(bào)廢原因進(jìn)行深入研究，通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承從入廠到試車后檢查的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，加強(qiáng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過程控制，提高了軸承合格率，減少了經(jīng)濟(jì)損失，達(dá)到了在一定程度上避免發(fā)動(dòng)機(jī)事故的目的。

［1］ Harris TA，Kotzalas M N. 滾動(dòng)軸承分析［M］.羅繼偉，馬偉，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 萬長(zhǎng)森.滾動(dòng)軸承的分析方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 周志瀾，馬純民，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承失效分析與預(yù)防［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［4］ 張棟，鐘培道，陶春虎等.失效分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004. 51-65.

［5］ Harris TA， Kotzalas MN.滾動(dòng)軸承分析［M］. 羅繼偉，馬偉，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.283-286.

［6］ 周志瀾，馬純民等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承失效分析與預(yù)防［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.133-137.

［7］陶春虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的失效與預(yù)防［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000. 215-224.

（編輯：林小江）

Quality control study of aircraft engine spindle bearing

Wang Bin，Qu Wenhao
（ Navy Engine Professional Military Delegate Office in Shenyang ，Shenyang 110043， China）

The aircraft engine spindle bearing is one of the important parts of the aircraft engine. In the condition of high speed，high load and high temperature， their health status can directly affect the aircraft engine， aircraft use safety and aircraft pilot life safety . The initial failure such as pits and bruise exceed standard ， is of frequent occurrence after trail in the factory. It has become the key factor that restricts this type of aircraft engine research and production task. Therefore， it is necessary to comb each link from the aircraft engine spindle bearing into the factory to post- inspection， and strengthen key process control. This article aims at the problem of the military turbofan aircraft engine spindle bearing fault， and carries on the reasonable process control for multiple faults with the help of statistical work. The results show that spindle bearing scrap quantity is decreased significantly after the implementation of the aircraft spindle bearing process control.

aircraft engine； bearing； fault； process control

TH133.33+1，TH133.33+2

B

1672-4852（2016）03-0009-03

2016-08-18.

王斌（1978-）男，工程師.