航空发动机中介轴承断裂分析与预防措施

修娟

摘 要：航空发动机是现代航空业发展的基石，也是一个国家工业实力的重要体现。现代中国航空产业进入了高速发展期，航空产业的快速发展急需大量的航空发动机。航空发动机结构复杂、制造难度大，在航空发动机的结构中广泛采用双转子与中介轴承所组成的结构方案，用以实现提高航空发动机推重比并降低航空发动机自重。这一结构方案将使得中介轴承的运行环境更加恶劣、复杂。为保障中介轴承更好地发挥其功用，应当对航空发动机中介轴承在应用中所产生的失效原因进行分析并采取针对性的措施，来加以改进、预防，从而使得航空发动机中介轴承能够最大限度的发挥其功用，提高航空发动机的使用效果与使用寿命。

关键词：航空发动机；中介轴承；失效；应对措施

中图分类号：V263 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0122-02

Abstract： Aeroengine is the cornerstone of the development of modern aviation industry as well as an important embodiment of a country's industrial strength. Modern China's aviation industry has entered a period of rapid development， the rapid development of the aviation industry is in urgent need of a large number of aero-engines. The structure of aero-engine is complex and difficult to manufacture. In the structure of aero-engine， double rotors and intermediate bearings are widely used to improve the thrust-weight ratio of aero-engine and reduce the dead weight of aero-engine. This structure scheme will make the operation environment of the intermediate bearing worse and more complex. In order to give full play to the functions of the intermediate bearing， the reasons for failure of the intermediate bearing in the application of the aeroengine should be analyzed and the corresponding measures should be taken to improve and prevent the failure of the intermediate bearing. Thus the aeroengine intermediate bearing can maximize its function and improve the use effect and service life of the aeroengine.

Keywords： aeroengine； intermediate bearing； failure； countermeasures

前言

航空发动机中介轴承是航空发动机中的重要部件，现代航空发动机主要使用的双转子与中介轴承的结构设计方案，在为航空发动机带来高性能的同时，也使航空发动机中介轴承面临着更严峻的挑战。航空发动机中介轴承运行中润滑条件较差，且受到双转子所产生的复杂力的作用，导致航空发动机中介轴承在应用中容易失效，进而影响航空发动机的使用效果与使用寿命。为保障航空发动机获得良好的使用效果，需要积极做好航空发动机中介轴承失效问题的分析，并采取积极的措施对其加以控制与预防。

1 某型号航空发动机中介轴承故障特點与失效原因

某型号航空发动机在运行中振动幅度过大，在对其进行分解维修过程中检测到航空发动机中介轴承外环套圈存在轴向裂纹，且接近贯穿整个航空发动机中介轴承。航空发动机所使用的中介轴承其结构采用的是外圈无挡边圆柱滚子形式，航空发动机中介轴承的内外环与滚子所使用的材料为轴承钢，使用硅青铜材料制作的保持架，内外圈分别随着高压转子和低压转子进行顺、逆时针方向转动。航空发动机中介轴承的润滑采用的是环下供油润滑方式。针对航空发动机中介轴承外圈裂纹进行分析并采取预防与控制措施，用以增强航空发动机中介轴承的安全性。

对故障航空发动机中介轴承进行详细的检测，以确定航空发动机中介轴承的故障原因。通过外观检测航空发动机中介轴承的内套圈、圆柱滚子以及硅青铜保持架，并未有明显的裂纹或是损伤，内套圈、圆柱滚子以及硅青铜保持架上并未有因高温所导致的变色痕迹。航空发动机中介轴承外套圈裂纹沿轴向从套圈一处凸台根部开始延伸，至整个航空发动机中介轴承，外套圈轨槽面分布有矩形沿轴向剥落带，外套圈轴向断裂处的剥落宽度以及滚道接触痕迹宽度远大于外套圈远离断裂处，同时在断裂处可以清晰的观测到滚道存在明显错位，这意味着航空发动机中介轴承最初发生失效位置应在轴向断裂处。外套圈前端面磨损并不均匀，断裂处前后端面有着较为明显的磨损痕迹。在完成了对航空发动机中介轴承的外观观测后，需要对航空发动机中介轴承断裂处进行金相、扫描电镜等的观测，发现航空发动机中介轴承断裂剥落区中密布剥落坑，从剥落坑中可以观测到较为明显的金属疲劳性状。此外，在剥落坑周边可以观测到大量密布的微小裂纹，且在金相及微电观测中并未发现明显的金属屑。航空发动机中介轴承外套圈轴向断裂断口在内径滚道面一侧则分布着裂纹起始区域，裂纹沿着航空发动机中介轴承轴向进行扩展，观测中发现航空发动机中介轴承各处疲劳源均分布着基体表面剥落的痕迹，从金相观测中发现材料并未有明显的冶金缺陷，裂纹扩展区具有疲劳小弧线特征，基于以上特性及裂纹断面处的韧窝形貌可以有效的排除其他影响因素，认定航空发动机中介轴承裂痕是由于金属疲劳因素所造成的，且航空发动机中介轴承断裂的起始区域在轴承内径滚道面的剥落坑处。航空发动机中介轴承前后端面有着明显的压痕，且对端面残留进行了能谱分析，其元素与压紧螺母的基体材料特征相同，可以判定航空发动机中介轴承后端面的物质为压紧螺母所残留。

通过对航空发动機中介轴承进行金相观测，观测区域为中介轴承断裂截面及中介轴承完好部分取截面，通过对两者进行金相组织对比观测和硬度对比，确定两者材质的区别。金相组织观测中两截面的金相组织并未有明显的区别，两者特性基本相同，均为马氏体与碳化物组织特性，观测中介轴承裂纹剥落区基体，金相并未观测到明显的夹杂物质，且对截面进行硬度测定后，发现两者硬度基本相同，并未有较为明显的区别。从上述特性检测中可以认定，航空发动机中介轴承断裂裂纹主要是由于疲劳所造成的。为排除航空发动机中介轴承自身设计与制造缺陷，对航空发动机中介轴承的各项参数进行详细测定，以确定航空发动机中介轴承符合使用规范，通过对所使用的航空发动机中介轴承同批次100套成品的轴承内外套尺寸、宽度、旋转精度以及配合精度、径向游隙等各项性能指标进行详细的检测，确定同批次的航空发动机中介轴承各项参数均符合设计要求。因此，可以排除航空发动机中介轴承设计缺陷。对航空发动机中介轴承两端面的压痕进行观测，航空发动机中介轴承有槽口端面具有明显的与空气导流调整垫相配合的痕迹，而无槽口端则具有较为明显的压紧螺母压痕，结合航空发动机中介轴承的安装要求，航空发动机中介轴承上的压痕表明，航空发动机中介轴承的安装位置并无差错。在对航空发动机中介轴承上的压痕进行分析后发现航空发动机中介轴承上的压痕不均匀，大槽口端面与空气系统调整垫配合痕迹深浅存在一定的差距，空气系统调整垫片在与航空发动机中介轴承槽口端面接触中产生了轻度磨痕，且磨痕形成了台阶状。结合航空发动机中介轴承上的磨痕，初步怀疑航空发动机中介轴承断裂是由于航空发动机中介轴承安装偏差所导致的。

2 航空发动机中介轴承断裂故障原因分析

在对航空发动机中介轴承进行宏观、金相以及电镜检测后，可以判定航空发动机中介轴承裂痕是由于航空发动机中介轴承安装缺陷所导致的。从宏观分析与电镜检测中发现，航空发动机中介轴承外套圈裂痕与失效主要集中在航空发动机中介轴承外套圈滚道剥落与轴向裂纹，滚道剥落是由于金属疲劳所产生的，而轴向裂纹主要为疲劳断裂所导致的金属裂纹。电镜观测到航空发动机中介轴承轴向裂纹起始于航空发动机中介轴承外套圈滚道剥落坑，裂纹在外力的作用下持续沿轴向扩展，并最终导致航空发动机中介轴承外套圈形成了轴向断裂。造成航空发动机中介轴承疲劳性损坏的原因众多，对航空发动机中介轴承各项参数的检测后，排除了是由于航空发动机中介轴承自身缺陷所导致的中介轴承疲劳性损坏，造成疲劳断裂的原因应当为外力所造成的。结合航空发动机中介轴承前后端面所检测到的接触物与接触痕迹，可以认定航空发动机中介轴承是由于安装缺陷所导致的受力不均，进而在航空发动机转子转动中所产生的巨大的外作用力下形成疲劳断裂。航空发动机中介轴承为薄壁异型结构轴承，其采用滚子作为旋转体且外套圈无挡边。航空发动机中介轴承运动时，内外套圈分别沿着顺、逆时针旋转，航空发动机中介轴承的外圈与高压转子相配合其转速高达15000r/min，加之内套圈反向旋转，如航空发动机中介轴承安装不到位，将导致航空发动机中介轴承承受巨大的外作用力，在这一外作用力的作用下将使得航空发动机中介轴承的使用寿命和使用性能受到巨大的影响。航空发动机中介轴承安装缺陷将使得航空发动机中介轴承的内外套圈产生偏斜，进而在巨大的转速下造成航空发动机中介轴承局部应力集中，并最终导致航空发动机中介轴承应力集中区域在巨大的应力作用下而产生疲劳剥落，滚道疲劳剥落区域的强度性能下降并最终成为了裂纹的起源地。此外，航空发动机中介轴承滚道疲劳剥落区域也会使得航空发动机中介轴承在运动的过程中产生振动性冲击，在持续的振动冲击下将使得航空发动机中介轴承外套圈在滚道剥落点区域产生疲劳裂纹，这一情况在航空发动机中介轴承持续高速运行的情况下将持续扩展，并最终导致航空发动机中介轴承外套圈断裂。

3 航空发动机修理中中介轴承安装优化

通过对航空发动机中介轴承裂纹进行金相、宏观以及电镜观测，最终找出了航空发动机中介轴承外套圈裂纹是由于安装缺陷所导致的，为提高航空发动机中介轴承的使用寿命需要对航空发动机中介轴承的安装流程进行优化，以确保航空发动机中介轴承的安装质量。在航空发动机中介轴承的安装中，加强对航空发动机中介轴承端面的测量，使用百分表测量安装量进行测量，确保安装端面的平整度。在安装前对航空发动机中介轴承的端面处进行良好的清洁，避免异物混入航空发动机中介轴承安装接触面，而影响航空发动机中介轴承的安全精度。在航空发动机中介轴承安装完成后，使用塞尺对中介轴承端面与轴承配合面的接触情况进行检测并记录检测数据，确保轴承端面各处都与轴承配合面有着良好的配合精度。

4 结束语

航空发动机中介轴承是航空发动机中的重要组成构件之一，现今广泛采用的双转子加航空发动机中介轴承形式使得航空发动机中介轴承承受着巨大的工作压力。本文结合航空发动机修理中所发现的中介轴承断裂现象，通过对航空发动机中介轴承外套圈裂纹进行分析，确定了航空发动机中介轴承裂纹是由于安装缺陷所导致的疲劳性裂痕。针对这一问题对航空发动机中介轴承的安装流程进行了优化，加强航空发动机中介轴承安装中的精度检测，确保中介轴承的安装精度以使得航空发动机中介轴承具有良好的使用性能和使用寿命。

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