航空发动机主轴轴承滑蹭故障分析

王 斌，樊照远

（海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁 沈阳 110043）

航空发动机主轴轴承滑蹭故障分析

王 斌，樊照远

（海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁 沈阳 110043）

航空发动机主轴轴承是航空发动机的重要部件之一，在高转速、高负荷、高温的条件下工作，其可靠性及寿命直接影响发动机、飞机能否安全使用乃至飞行员的生命安全。某航空发动机主轴轴承在工厂试车后多次出现麻点、压伤超标等早期故障，已经成为制约该型发动机科研生产任务完成的关键因素，因此，有必要对该轴承典型故障进行深入分析。针对某军用涡扇发动机No.3支点轴承滑蹭故障，从轴承的工作机理出发，结合故障统计及对比测量等分析工作，深入分析了主轴轴承的故障原因，确定了排故措施，不仅提高了发动机工作的可靠性及寿命，并且对新型轴承的研制也具有一定指导意义。

航空发动机；轴承；对比测量；故障分析

1 前言

航空发动机主轴轴承是发动机的关键组件，工作条件恶劣，是发动机故障高发部位。飞机在飞行过程中，如果发动机主轴轴承发生故障，其后果不堪设想[1-3]。我国航空发动机主轴轴承设计技术起步较晚，虽然在80年代后期取得了较大发展，但与欧美等航空轴承强国相比，我国航空发动机主轴轴承研制在结构设计、轴承材料、试验手段等方面尚有较大差距，目前国内航空轴承存在的技术问题主要是尺寸稳定性差，新轴承工作面经常有划伤、压痕等表面损伤，同时寿命较短，这必然会对新型号发动机的研制造成一定消极影响，因此，深入研究航空发动机主轴轴承故障具有重要意义。

2 轴承故障种类

轴承故障种类较多，依据故障发生的原因大致可以归结为工作条件、颗粒异物、轴承材料等3类[4，5]。第一类主要是由于轴承高温、高速、高DN值等恶劣工作条件引起，主要表现为打滑蹭伤、剥落、保持架和套圈断裂等。滚子轴承打滑蹭伤的主要原因是转子重量较轻，对轴承没有形成足够的径向载荷；球轴承打滑蹭伤的主要原因是所受轴向载荷变向。此外，滚动体和保持架所受的运动阻力过大时也会发生打滑蹭伤故障。第二类主要是由于颗粒异物引起，主要有磨粒引起的损伤、压痕引起的损伤。第三类故障是轴承材料本身的原因，比如工作表面或次表面大碳化物等夹杂物引起的损伤。

本文针对某军用涡扇发动机No.3支点轴承滑蹭故障，从轴承工作的机理出发，结合故障统计工作及对比测量分析工作，深入分析了主轴轴承的故障原因，确定了排故措施，不仅保证了发动机正常的生产交付任务，还提高了发动机工作的可靠性及寿命。

3 研究对象

某小涵道比双轴涡扇发动机经常出现No.3支点轴承工作表面滑蹭故障，但因其机理比较复杂，一直以来没有得到较好地解决。该轴承为双半内圈角接触球轴承，装于高压转子前支点，承受来自高压的轴向力和部分径向力，如图1所示。No.3支点轴承外圈安装在中介机匣中央锥壳体内，内圈安装在主动锥齿轮轴颈上，通过套齿实现高压转子前支点传动，润滑方式为环下供油，装配位置如图 2 所示。轴承内圈是双半环结构，窄半环是主承力半环；宽半环（图中带槽的半环）是非承力半环。

该发动机曾发生多起No.3支点轴承工作表面滑蹭故障，滑蹭一般发生在双半套圈的一个半环滚道上，有明显的拖尾现象，故障轴承滚动体球面的三分之一变色。当然，也有宽、窄半环同时存在滑蹭的，也有钢球变色而内圈未滑蹭的。典型故障形貌如图 3～图 6 所示。

图1 No.3支点轴承结构

图2 No.3支点轴承装配图

图3 窄半环滑蹭形貌

图5 钢球表面细小滑蹭痕迹

图6 钢球表面较大较窄的环带变色

4 滑蹭故障分析

4.1 引发轴承滑蹭的因素分析

从轴承工作的机理分析，引发轴承滑蹭的可能因素如下[6，7]。

（1）轴向载荷不足造成的滑蹭

轴承在轴向载荷不足的情况下，径向力作用在轴承上，并传递给钢球使之不能形成有效接触角，钢球与两个半内圈同时接触，形成多点接触。进而出现滑蹭故障。

（2）径向游隙不足造成的多点接触

No.3支点轴承内圈为桃形沟结构，在径向游隙不足的情况下，会导致钢球表面与沟道表面出现打滑蹭伤。

（3）钢球自旋造成的滑蹭

在高速旋转并承受一定轴向载荷的球轴承中，会产生一种偏离套圈中心且沿径向分布的离心力，使轴承的受力情况发生变化。在离心力作用下，钢球作用于外圈沟道上的力大为增加，同时却减少了钢球与内圈沟道之间的作用力。内、外圈沟道上作用力的改变，会影响到钢球与内、外圈接触角的改变，致使外圈接触角变小，而内圈接触角变大。在轴向载荷一定的情况下，轴承的转速越高，则内、外圈接触角的差别也越大。如果内、外圈接触角的差别很大，会影响到轴承中的摩擦状态。由于球与外圈沟道的接触角变小，运动方式近乎纯滚动状态；在内圈沟道上的接触角变大，使钢球除承受滚动力矩外还承受了一个附加力矩即陀螺力矩，该力矩将使钢球在内圈沟道上产生自旋运动，旋转方向为绕钢球与内圈接触点及钢球中心点的连线轴旋转，自旋转方向使接触副出现滑动摩擦，其结果将引起与内圈沟道接触的钢球表面滑蹭磨损，滑蹭面积的大小与当时的接触角大小有关。

（4）轴向载荷过大造成的滑蹭

三点接触球轴承在工作时，钢球与承力内圈接触，与非承力内圈有一个残余间隙。当残余间隙为零或为负值时，就会出现多点接触，进而引起滑蹭故障。No.3轴承轴向载荷情况如表 1 所示。

表1 No.3轴承轴向载荷

4.2 统计分析过程

通过对No.3支点轴承滑蹭故障发生部位统计，发现轴承宽内圈（No.3支点轴承有两个内圈，分为宽内圈、窄内圈）发生滑蹭的概率较高，如图 7 所示，说明轴承工作过程中出现了多点接触现象，另外通过统计排除了发动机装配方面的原因。

4.3 对比测量分析

为进一步探究No.3支点轴承滑蹭故障的原因，对故障轴承做进一步的对比测量分析工作。为此，分三次对不同批次故障轴承进行测量。

图7 3支点轴承滑蹭故障发生部位统计图

4.3.1 第一次测量

测量后有明显差异的参数如表 2 所示。从测量结果看，故障轴承外内径尺寸较小、外内径椭圆度较大导致引导间隙偏下限；故障轴承外内径粗糙度较差；内套沟曲率尺寸超差等问题可能对本故障影响较大。

表2 第一次对比测量

4.3.2 第二次测量

测量有明显差异的参数如表 3 所示。由测量结果可见：

（1）轴承外圈沟道圆度轻度超差，内圈沟道圆度超差很多，有的将近一倍。

（2）轴承曲率半径：故障件 3、故障件 4非承力内圈、故障件 5 承力内圈曲率半径超差，可能与本故障有关。

根据检测情况，超差项主要集中在内圈沟道圆度和内圈曲率半径方面，此两项指标可能与本故障有关。

4.3.3 第三次测量

测量有明显差异的参数如表 4 所示。由测量结果可见，轴承内圈滚道曲率半径和垫片厚度等对轴承滑蹭问题可能影响较大。

4.4 故障分析

通过对故障件的三次对比测量，发现轴承内圈滚道曲率半径、垫片厚度和沟道圆度等对轴承滑蹭问题可能影响较大。通过轴承工作机理来看，造成滑蹭故障的原因可能为：轴向载荷不足造成的多点接触、径向游隙不足造成的多点接触及钢球自旋造成的面接触等。通过实测发动机轴向载荷，排除了轴向载荷不足造成多点接触的因素；通过统计轴承滑蹭发生部位，发现故障类型为多点故障，排除钢球自旋造成面接触的因素；最后通过三次故障轴承参数与标准值的对比分析，确定故障原因为径向游隙不足，表现为轴承内圈滚道曲率半径、垫片厚度和沟道圆度偏离设计要求。

No.3支点轴承蹭伤故障主要原因是发动机工作过程中轴承非承载区剩余间隙偏小，使滚动体与内圈出现多点接触导致蹭伤;还有可能与轴承制造精度不足有关,轴承制造精度不足主要表现在内圈滚道曲率半径和垫片厚度偏离设计要求。

表3 第二次对比测量

表4 第三次对比测量

5 结束语

为解决No.3支点轴承蹭伤故障将进行以下工作：开展游隙及制造精度方面的研究工作,研究提高轴承制造精度的措施，主要针对轴承内圈沟曲率半径、垫片厚度和沟道圆度尺寸控制问题开展试验研究；装前仔细检查轴承表面质量，发现异常情况及时联系厂家解决。

[1] Harris T A，Kotzalas M N. 滚动轴承分析[M]．罗继伟，等译．北京：机械工业出版社，2010.

[2] 万长森．滚动轴承的分析方法[M]．北京：机械工业出版社，1987.

[3] 周志澜，马纯民，等．航空发动机主轴轴承失效分析与预防[M]．北京：科学出版社，1998.

[4] 张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004.51-65.

[5] 罗继伟，马伟，等译.滚动轴承分析[M].北京：机械工业出版社，2010.283-286.

[6] 周志澜，马纯民,等.航空发动机主轴轴承失效分析与预防[M]北京：科学出版社，1998.133-137.

[7] 陶春虎.航空发动机转动部件的失效与预防[M.北京：国防工业出版社，2000.215-224.

（编辑：王立新）

Fault analysis of aircraft engine spindle bearing skidding damage

Wang Bin，Fan Zhaoyuan
( Navy Engine Professional Military Delegate Off i ce 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 trial run 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 analyze thoroughly the typical faults of aircraft engine spindle bearing. This article aims at the problem of the military turbofan engine three-fulcrum bearing skidding damage fault, and analyses the reason of bearing failure based on working principle of bearing, fault statistics and comparison measurement. Effective measures are taken for troubleshooting. It not only improves the reliability and life of the aircraft engine, but also has certain guiding signif i cance to the development of the novel bearing.

aircraft engine; bearing; comparison measurement; fault analysis

TH133.33+1

B

1672-4852（2017）01-0015-04

2017-02-03.

王 斌（1978-），男，工程师.