一起電動(dòng)機(jī)石墨軸承斷裂故障分析

謝建峰 黃超/國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠

1 故障情況

一架某型飛機(jī)進(jìn)行燃油系統(tǒng)輸油順序檢查試驗(yàn)時(shí)，按壓座艙內(nèi)“油泵檢查”按鈕，“油泵檢查”信號(hào)燈未燃亮。連接燃油泵地面檢查儀進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，位于2 號(hào)油箱用于散熱系統(tǒng)的電動(dòng)泵未工作。電動(dòng)泵對(duì)從供油泵傳輸過(guò)來(lái)的燃油增壓，并輸送至散熱器總管，為空調(diào)系統(tǒng)的空氣、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的滑油和液壓系統(tǒng)的液壓油進(jìn)行散熱。拆下電動(dòng)泵，檢查葉輪旋轉(zhuǎn)正常，無(wú)卡滯現(xiàn)象；測(cè)量電動(dòng)機(jī)線路通斷，線路存在斷路。分解電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢查，C 相電路中溫度保險(xiǎn)絲熔斷，石墨軸承斷裂損壞，斷裂位置位于石墨軸承旁鋁環(huán)處，斷裂后的石墨軸承呈環(huán)狀，除周向斷口外，還有兩處徑向斷口，如 圖1 所示）。

2 故障分析

2.1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)型號(hào)為FDY-403，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，斷裂的石墨軸承為圖中的3 號(hào) 件。

從結(jié)構(gòu)上看，石墨軸承2 除承擔(dān)與石墨軸承3、4 相同的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦作用外，同時(shí)還承受轉(zhuǎn)子組件1 的軸向載荷。電動(dòng)機(jī)在垂直狀態(tài)（機(jī)上狀態(tài)）下，轉(zhuǎn)子組件1 與石墨軸承面接觸。機(jī)上工作時(shí)，轉(zhuǎn)子組件在帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)引導(dǎo)燃油通過(guò)石墨軸承2 內(nèi)部導(dǎo)油槽進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。燃油穿過(guò)轉(zhuǎn)子組件和石墨軸承2、3、4 之間的間隙，從電動(dòng)機(jī)尾部通道排出，完成液流循環(huán)。該循環(huán)為電動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦部位提供潤(rùn)滑和冷卻。

2.2 石墨軸承斷裂外觀檢查

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子組件鋼制端面處有明顯的沿周向的磨損痕跡，選取另一完好轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)其鋼制端面無(wú)明顯周向磨損痕跡，如圖3 所示。

檢查電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子，發(fā)現(xiàn)定子一周的銅絲均存在明顯燒傷熔化特征。

圖1 電動(dòng)機(jī)及內(nèi)部軸承斷口外觀

圖2 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外觀

圖4 石墨軸承碎塊周向斷口微觀形貌

圖5 石墨軸承碎塊徑向斷口微觀形貌

2.3 石墨軸承斷裂斷口分析

對(duì)石墨軸承碎塊斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖4 所示。觀察周向斷口形貌，可見(jiàn)低倍下斷口較平整，高倍下呈片狀脆性斷裂特征，未見(jiàn)明顯缺陷與內(nèi)部夾雜。

繼續(xù)對(duì)石墨軸承碎塊徑向斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。低倍下可見(jiàn)兩側(cè)與中間部位斷裂特征存在差異，高倍下可見(jiàn)中間部位斷裂為片狀脆性斷裂，兩側(cè)位置斷裂處可見(jiàn)明顯孔洞特征，如圖5 所示。該形貌可能是石墨中環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑經(jīng)高溫分解碳化所致。

2.4 組織檢查

切取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件的鋼制端面橫截面區(qū)域，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后制成金相試樣，使用4%硝酸酒精對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，再經(jīng)金相顯微鏡觀察。由圖6可見(jiàn)，近端面組織與心部組織存在明顯差異，近端面為淬火馬氏體組織，心部為回火索氏體+析出碳化物。

切取電動(dòng)機(jī)石墨軸承旁鋁環(huán)橫截面區(qū)域，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后制成金相試樣，使用0.5%氫氟酸水溶液進(jìn)行腐蝕，再經(jīng)金相顯微鏡觀察。如圖7 可見(jiàn)，近端面組織與心部組織無(wú)明顯差異，但近端面明顯存在燒蝕熔化產(chǎn)生的孔洞。

2.5 結(jié)論

結(jié)合微觀觀察到石墨軸承碎塊斷口內(nèi)部樹(shù)脂碳化形成的孔洞以及相接觸的鋼制與鋁環(huán)的端面燒傷特征，可以判斷該石墨軸承是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中其上端面與石墨軸承端面接觸、磨損，產(chǎn)生熱損傷，造成過(guò)載斷裂。

2.6 故障原因

電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，已明確規(guī)定在通電前應(yīng)從電動(dòng)機(jī)兩端注入燃油，以保證潤(rùn)滑和冷卻，防止干摩擦。在飛機(jī)裝配和調(diào)試階段，僅規(guī)定在飛機(jī)加滿燃油后才能進(jìn)行散熱泵工作性能的檢查。但因散熱泵檢查按鈕位于座艙內(nèi)部，且無(wú)防護(hù)蓋板，座艙內(nèi)裝配、調(diào)試人員交叉較多，存在按鈕被誤按壓的可能，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在無(wú)油狀態(tài)下工作，造成干摩擦。

圖6 轉(zhuǎn)子組件的鋼制端部截面金相組織

圖7 石墨軸承旁鋁環(huán)端面金相組織

3 改進(jìn)措施

為避免再次出現(xiàn)因電動(dòng)機(jī)無(wú)油狀態(tài)下干摩擦造成的石墨軸承斷裂故障，明確規(guī)定飛機(jī)通電調(diào)試時(shí)，除專項(xiàng)檢查外，應(yīng)斷開(kāi)與電動(dòng)泵接通相關(guān)的連接器，防止座艙人員誤啟動(dòng)，造成電動(dòng)機(jī)干摩擦。