一起E190 飞机主轮轴承碎裂故障的分析

■ 朱闻振/广西北部湾航空有限责任公司

1 故障情况

某日，AOC 接到Y 机场报告，在跑道头捡到一块圆形的铝质材料金属片，直径约为8.5cm。因本公司一架E190 飞机起飞时间相近，AOC 工程师通过卫星电话与正在飞行的机组进行沟通，机组声称在起飞滑跑过程中除左内主轮刹车温度相对偏高外，没有其他警告信息，也未发现异常情况。

飞机在下一机场正常落地。检查发现左内侧主轮的轮轴保护盖有明显损伤，被切割成直径约为8.5cm 的圆形缺口，与掉落的金属圆片直径外形吻合（见图1）。同时机组反映，落地后滑跑期间CAS 区出现LG NO DISPATCH信息，但是没有出现任何机身和起落架抖动情况。

图1 左侧主轮外侧损伤情况

2 故障检查情况

拆下左内主轮，发现主轮轴承杯的外表面严重磨损，被磨出三道明显的沟槽，宽度/深度分别约为15mm/3mm、10.5mm/9.6mm 和8mm/7mm（见图2）。

图2 轴承杯套表面的损伤情况

左内主轮上的内侧锥形轴承完全破损，滚棒、封严、滚棒支架、卡环等破损零件堆积在机轮内外轴承杯之间区域。主轮轮毂架内壁磨损成一个直径约300mm 的环状凹槽，宽度约为25mm，深度约在6.5 ～7.5mm 之间，轮毂的周围有很多金属削（见图3）。

图3 主轮内侧的损伤情况

主轮上其他损伤还有内侧轴承杯的前沿被严重刮磨，磨损痕迹深度约1.5mm 左右，内侧轴承杯与锥形轴承的结合面严重磨损。

拆下损坏的刹车毂，内侧锥形轴承底座卡死在轮轴上，无法取下。对该刹车毂进行详细检查，发现刹车毂内壁有多处刮磨和变形痕迹，其中最大一处损伤长度约为120mm，宽约25mm，刹车毂静盘的前沿表面被刮磨（见图4）。除此之外，该刹车毂其他部位正常，动片转动正常，动片卡槽没有出现掉块情况。

图4 刹车毂的损伤情况

该主轮内侧锥形轴承的底座完全卡死在轮轴上，使用高强度砂轮片经过6个多小时锯割，将其锯断一个缺口后才能拆下（见图5）；轮轴外表面有明显剐磨痕迹2 处，最大的一处如图6 所示；轮轴的内部有高温烤焦变色的痕迹（见图7）。

图5 锥形轴承底座损伤情况

图6 轮轴外表面损伤情况

图7 内壁损伤情况

其他检查情况如下：

1）该机轮内侧锥形轴承外圈的滚棒支架被完全破坏，收集到散落的轴承滚棒20 个，其中大部分完全变形，有3个滚棒镶嵌在轴承杯外套表面，丢失5个。正常的轴承应有28 个滚棒。

2）尽管机轮内侧锥形轴承完全损毁，但外侧锥形轴承基本完好，只是外封严有轻微破损，NDT 检测正常。

3）轮轴上固定机轮的大螺帽外侧表面被磨损，大螺帽的锁定卡环无损伤；该主轮的胎面有轻微的不均匀磨损，但磨损未超标，沟槽仍清晰可见；轮胎根部周围有环状的高温灼烤痕迹。

4）对同一起落架上的左外相邻机轮、刹车毂以及起落架等周围部件进行详细检查，未发现异常情况。

3 技术数据的收集和分析

为了分析故障的真正原因，整理了相关的飞机FHDB（Fault History Database）和QAR 数据并进行了译码。

3.1 FHDB 数据

FHDB 数据译码显示，在起飞爬升阶段就已经触发LG NO DISPATCH 故障信息（见图8），但该信息是被抑制的（INHIBITED）。经查手册核实，此信息在飞机离地飞行阶段属于被抑制的信息级别，落地后即可转为激活（ACTIVE）状态。这证实了在空中机组没有反映有故障信息，而落地滑跑阶段才出现故障信息的情况。

图8 FHDB译码数据

核查该飞机7 天内的FHDB 数据，没有发现记录过此故障信息。

3.2 QAR 数据

该型飞机的QAR 可以记录3000 多个不同参数，且最少可以连续记录30天飞行的技术数据。

QAR 数据译码显示，飞机在起飞滑跑阶段左内刹车温度急剧上升，最高达277℃，明显高于另外三个刹车毂的温度（见图9）。对比当日前一个航段滑行的刹车温度数据，左内刹车温度也明显高于其他三个刹车毂的温度，只是温度曲线上升不高，没有触发警告信息。对该机前三日所有航段的QAR 数据进行译码，显示左内刹车温度与其他三个刹车的温度基本一致。

图9 Y机场滑行、起飞刹车温度数据

以上情况表明，在当日第一个航段的滑行过程中，左内主轮就已经发生了刹车温度不正常上升情况，最高约为150℃；在Y 机场着陆滑行时最高温度约为200℃，由于温度没有达到警告界限（警告值为232℃），且机组没有注意到温度的变化情况，所以前一航段的飞行机组没有报告故障。

3.3 相关维修工作情况

查询该飞机的维修记录发现，7 天之内航后没有做过起落架部位的相关工作。再往前查询，该主轮是在四个多月之前更换的，截至故障发生时已经飞行501 循环。

查询部件维修历史记录发现，该主轮件号为90002317-2，序号为JUN07-1215，共进行过9 次修理，从返修报告核实，返修原因均为轮胎胎面磨损超限或扎伤。

该位置的刹车毂最近没有拆装记录，与主轮的使用时间基本相同，最近一次更换后共飞行477 循环。

对飞机轮胎修理车间进行调查，按照CMM 32-49-28-210-005-A01 的要求，每次轮胎返修时，主轮里的两个轴承会被拆下进行彻底清洁、润滑，同时还进行目视检查、损伤检测等相关工作。从收集到7 份附件维修报告来看，该主轮轴承的检查情况都是正常，没有更换记录。

4 故障演变过程的分析

在对以上数据进行认真研究和分析后，判定故障演变经过了四个阶段：

1）第一阶段：故障潜伏期

该阶段为事件发生当日之前的时间，轴承已经出现损伤，只是损伤程度相对轻微，并不影响轴承正常的工作状态，为故障潜伏期。

2）第二阶段：故障发生的初期

从事件当日第一个航段滑行开始，QAR 数据显示刹车温度开始不正常上升，刹车最高温度上升到150℃。在Y机场落地滑行后，QAR 记录的刹车最高温度约200℃。

由于未触及警告温度，加上机组没有报告异常情况，此故障苗头被忽视。

3）第三阶段：故障爆发阶段

在Y 机场滑行起飞阶段，起飞时轮胎高速运转，导致轴承彻底碎裂，摩擦力迅速增加，从而引起刹车温度急剧上升，从图9 可以看出，飞机离地时刹车温度达到210℃。起落架收入轮舱后，尽管轮子停止了转动，但由于轮舱散热效率低，温度仍然持续上升，最高达到277℃，超过232℃琥珀色温度指示警告界限，触发了LG NO DISPATCH 警 告 信 息。但因飞机已经离地，该信息被抑制。

由于内侧的锥形轴承是在地面滑跑时碎裂的，机轮仍在加速转动，滚棒被甩离槽轨，使机轮失去内侧的支撑点。在外侧锥形轴承的轴向分力推动下，机轮一边向里侧移动，一边高速旋转。此时轮轴上固定螺母的安全卡环凸缘接触了轮轴保护盖，并开始锯割轮轴保护盖，这就是8.5cm 圆形金属片形成的原因，然后该金属片掉落在Y 机场跑道上。

被甩出锥形轴承滑槽的滚棒，在机轮高速转动的情况下，部分被挤进内侧轴承杯外侧边缘与刹车毂之间的缝隙，其中有3 颗被机轮转动时产生的强力挤压并嵌入轴承杯外套表面，三道明显的凹槽就是这样形成的，另有5 颗通过缝隙后丢失，这8 颗滚棒也是造成刹车毂内侧表面刮磨的原因。

剩下的20 颗滚棒、滚棒支架及其他损坏部件，在经过剧烈撞击和摩擦后，大部分严重变形，留在了机轮内外侧轴承之间的区域。

4）第四阶段：损伤扩展阶段

此阶段发生在落地滑行期间，因为内侧的轴承已经碎裂，无法顺畅转动，飞机落地瞬间巨大的冲击力使锥形轴承底座变形，被卡死在轮轴上，导致轮轴表面有两处明显的损伤。同时，摩擦力的增加使温度急剧上升，最高达到400℃，虽然未触发CAS 红色警告信息BRK OVERHEAT（红色警告温度为420℃），但导致了轮轴内壁出现严重烤焦痕迹，轮胎根部也有被烤炙变色的明显痕迹。

由于该起落架的外侧机轮仍然处于完好状态，并不影响这一侧起落架的正常功能，所以机组在高速滑行时并没有感觉到机身抖动情况。

5 轴承碎裂的原因分析

图10 为飞机主轮轮毂及其主要部件的安装示意图。查询资料比较，其与国内主要的窄体机A320、波音737 等系列飞机机轮的结构基本相同。

图10 机轮轮毂、轴承安装图

从手册资料以及实物分析可知，两个锥形轴承通过松配合装配在机轮轮毂的轴承杯内，轴承杯表面相对于轮轴是一个斜面，滚棒紧贴斜面进行滚动。在地面承受飞机重力时，产生一个沿轮轴方向的轴向分力，正常情况下，内外轴承产生的轴向分力大小相等，方向相反，可使机轮在轴向保持静止状态。

上述故障中，左内主轮锥形轴承碎裂是首要原因。经核查，这是我公司E190 飞机2008 年运行以来第一次出现的此类故障。咨询其他航空公司工程技术部门，主轮锥形轴承碎裂情况并不多见，国外也没有相关报告。

根据机轮锥形轴承的工作特点，从航线维护和轮胎返修环节对锥形轴承碎裂原因进行简要分析。

5.1 航线维修工作的原因分析

拆装机轮是基本的航线维修内容。安装飞机主轮时，需要进行两次磅力矩工作。第一次预紧力矩值较大，约为481 ～495N.m（4260 ～4380lb.in），将主轮锥形轴承向内压紧到位，避免产生轴向活动空隙。第二次为上紧力矩，相比第一次要小，约147 ～151N.m（1300 ～1335lb.in），既可固定机轮，又不会使机轮过紧而影响其顺畅转动。

该主轮自最后一次安装后已经使用了477 循环，根据最近一个多月的QAR 数据分析，4 个主轮的刹车温度全部正常，温度曲线基本相同。此外，通过维修数据系统查询，最近6 个月没有相关起落架和刹车系统故障出现。尽管如此，不能排除维修工作导致故障的可能，如工作者在施工时不慎摔出轴承，造成隐形损伤，但自行通过目视检查认为没有问题，轴承被直接装回原位。

5.2 轮胎返修车间维修工作的原因分析

故障轴承各附件上附着的润滑脂很多，仍然有很好的黏性，没有干燥板结情况。对损伤部件清洁后，进行详细的目视检查，未发现长期磨损造成的累积性损伤。因此，可以确定轴承的清洁、润滑工作环节不是诱发故障的主要原因。

在轮胎翻修车间检查时发现，几个同时修理的机轮，轴承拆下后统一进行清洁、润滑，由于没有做标志，也不对轴承的序号进行记录，因此，不可避免地会造成串装情况。也就是说，这次损坏的机轮经过9 次修理后，该机轮上的轴承基本上可以确定已经不是原装的，因此也无法明确说明这个轴承到底使用了多长时间。

此外，轴承在拆下清洁、润滑、安装的过程中，由于工作场所转移，不能确定其中是否有摔落情况，这种情况会造成滚棒、支架产生隐形裂纹。可见，尽管不能确定轮胎车间是否存在问题，但是可以确定修理工序的管理上有提升的必要性。

5.3 轴承制造厂家的原因分析

厂家CMM 针对轴承的检查方式只有目视检查，检查内容是锈蚀、裂纹、碳化、刮痕、点状腐蚀、平整度、高温变色等，只要发现不正常症状就必须更换。这种检查方式有一定缺陷，只能检查表面可见部分，无法检测滚棒及相关部件的隐藏部位，有漏检的可能性。轴承本身就是磨损部件，仅依靠目视检查，发现问题之后再更换，检查方式不可靠。此外，轴承没有规定使用寿命，轮胎返修车间的工作模式导致轴承的使用时间无法控制。

E190 飞机使用的是Meggitt 公司生产的主轮轮毂及轴承，此为我公司第一起轴承碎裂的故障报告，Meggitt 公司出于保护商业机密的缘故，没有给出世界机队的使用情况。

6 总结

这是一起典型的由单个部件损坏引起连锁反应的故障案例，在初期的故障分析中就得出左内机轮内侧锥形轴承碎裂是首要原因，但对故障的整个演变过程却不清楚，无法准确判断出几个关键现象形成的时间点、发生顺序，如圆形金属片是如何形成和掉落的；轴承杯套上的三道凹槽是如何形成的；锥形轴承底座是如何卡死的；轮轴内筒高温烤炙的色变发生在什么时候等等。尽管收集了一些FHDB、QAR 相关数据，但在大量数据和信息面前，无法将所有信息有效串连在一起，无法清晰解释轴承爆裂的演变次序。

之后，通过重新整理分析思路，重点对QAR 数据进行了认真研究，以QAR 记录的刹车温度数据变化时间点为线索，将故障演变过程分成四个阶段进行分析，分别对每个阶段的数据和信息进行深入分析，很快理清了故障分析的思路，能够将所有故障现象有机串接起来，并且非常精确地推算出故障的演变情况，基本上还原了每一个阶段该机轮真实的工作状态。

目前，大多数飞机上类似QAR 和FHDB 的系统可以记录各种各样的参数数据，机务维修人员除了要收集有效的数据和信息外，还要善于对数据进行鉴别和分类，并要有清晰的逻辑思维分析能力，才能找到正确的解决办法。