航空发动机压气机后轴承失效故障的分析

［摘 要］作为航空发动机的核心部件之一，压气机后轴承承载着确保发动机稳定运行的重要使命。文章以某型飞机在飞行过程中遇到的故障为例，分析了航天发动机压气机后轴承失效的故障现象，研究了其失效机理，并针对故障原因提出改进措施。

［关键词］发动机；压气机；轴承故障

［中图分类号］V263.6 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0064–03

1 航空发动机压气机后轴承国内外研究现状

随着航空工业的迅猛发展，飞机的飞行安全和经济效益越来越被人们重视。航空发动机是高度复杂的热力机械系统，其内部零部件和子系统的可靠性直接关系到整个发动机的性能和安全性，特别是航空发动机压气机后轴承，是发动机中承受巨大负荷和极端工作环境的关键部件，其可靠性对于确保发动机长期稳定运行具有不可替代的重要性。

针对如何提高航空发动机压气机后轴承的性能，国内外诸多学者都进行了系统研究，通过细致入微的失效分析，揭示航空发动机压气机后轴承失效的内在机理和外在诱因，如某型航空发动机中的球轴承由于安装过程中的对中精度不足，导致轴承在高速运转时产生严重的磨损和失效。或某军用飞机喷气发动机中的球轴承，因为安装过程中的不当操作，使轴承在锥齿轮轴上出现偏心现象，引发后轴承失效故障。

2 案例分析

2.1 案例实况

某型飞机在执行飞行任务时，遭遇了突发技术故障。飞机在6 000 m 高空平飞过程中，突然出现振动值的异常变化，原本稳定的1.2 g 左右的振动值，在短时间内跃升至3.5 g 左右，机组人员迅速做出反应，收油门以尝试降低飞行高度，但在下降过程中振动值不仅没有减小，反而继续增大，说明发动机内部的问题恶化。当飞行高度下降至1 200 多m 时，内腔火警灯突然亮起，并持续闪烁4 s，紧急情况提示机组人员发动机内部已经出现了高温或燃烧现象，机组人员果断采取人工顺桨停车措施，确保飞机安全备降。

2.2 故障现象

经过对现场发动机的详细检查，发现了严重的转子卡滞问题，所以导致发动机无法正常转动。为更全面了解故障原因，对发动机进行全面拆解和深入检查。拆解过程中对每个部件都进行了仔细观察和检查，发现以下问题：①压气机后轴承的保持架断裂，滚子和内环磨损严重，几乎已经无法正常使用，磨损和断裂的部件影响了轴承的正常运转，还导致发动机的其他部分受损。②压气机后轴承的尺寸异常，判定是长时间使用或安装不当导致的，而且轴承与后轴颈发生了抱死现象，所以整个发动机因为故c0c85cf9102d9795765585b6dded37e225dceb03d7f9bce62a6eddae13c3d36a障无法正常运转。压气机后轴承的螺母分解力矩较小，也表明固定不够牢固。

由于故障存在，转子在运转时出现向前移动情况，导致与静子发生轴向碰磨，加剧了轴承的损坏，还对发动机的其他部分造成损坏。另外，压气机后轴承的锁圈限位块出现开裂现象，加剧了轴承的损坏程度。检查附件传动时显得不够灵活，推断是由于润滑不良或长时间使用导致的。综合以上情况可以得出结论：压气机后轴承的损伤是导致发动机故障的主要原因，考虑到该轴承已经工作了25 d，其磨损和损坏是不可避免的，要及时更换和修复受损部件，以及对相关部件进行检查和调整，以恢复发动机的正常运转。

2.3 失效机理分析

对压气机后轴承、锁圈及其相关配合件进行系统性的拆解与深入的观察，并且利用先进的检测设备和专业的技术手段，对关键部件进行详尽的宏观和微观检查，旨在全面了解损伤状况和潜在的失效机制。

2.3.1 宏观检验阶段

在宏观检验中重点关注压气机后轴承的多个关键区域，保持架作为轴承的重要组成部分，通过目视检查和精密测量，发现保持架存在明显的断裂和破损现象，其形态呈现出不规则的碎片状，表明在运行过程中可能承受了过大的应力或冲击。此外对外环的外圆面和端面形貌进行仔细检查，区域呈现出明显的磨损和划痕，表明在长期使用过程中可能受到异物侵入或润滑不良的影响。而且轴承外环和内环的跑道面呈现磨损迹象，诊断应该是与轴承运转时的摩擦和磨损有关。进一步了解轴承内部的损伤情况，还对轴承内环的端面形貌和钢球的表面状况进行检查，同样呈现出不同程度的磨损和划痕，但相比之下程度较轻，可能由于钢球和轴承内环在设计和制造过程中采用较高的精度和耐磨性能。

2.3.2 断口分析阶段

进一步观察发现，保持架裂纹的断口起源区和扩展区的疲劳条带情况最严重，表明疲劳损伤已经累积到一定程度，并在某些关键点上引发裂纹萌生和扩展，裂纹在受到外部载荷或冲击时迅速扩展，最终导致保持架的断裂失效。

2.3.3 硬度评估与诊断

对轴承的关键部件，包括内环、外环、钢球及保持架进行详尽的硬度评估，通过精确的硬度检测仪器和专业的技术人员操作，最终获得详细数据：轴承的多个部位均存在过热现象，由于在高速运转或负载过大时，摩擦产生的热量没有及时散发出去，过热现象直接导致轴承材料的硬度降低，使其低于技术要求的标准，影响了轴承的正常使用寿命，还引发了严重的机械故障。

2.3.4 发动机内部物质分析与溯源

为深入探究轴承失效的原因，对压气机后轴承回油滤收集的金属碎片进行全面的能谱分析，使用高端的分析仪器和精确的测量技术，得出确切结论：金属碎片的材料为GCR15，与压气机后轴承的材料完全吻合，这一发现为进一步分析轴承失效的原因提供重要线索。经过对轴承的硬度评估和发动机内部物质的能谱分析，能够发现压气机后轴承的故障确实是由其失效所引起的，失效的根源在于保持架因疲劳而断裂，导致了钢球、内环、外环在运转过程中受到不均匀的压力和摩擦，从而发生碾压磨损，而且由于轴承失效后振动增大，锁圈也遭受疲劳断裂的影响。

2.4 故障排查

经过对压气机后轴承失效事件的深入分析，逐步揭开故障背后的复杂原因，此次失效事件不仅涉及轴承的安装、润滑和及制造质量，还涉及材料科学、力学及热处理工艺等多方面。

（1）安装环节进行详尽排查。检查安装过程中是否存在过度力矩、安装环境是否洁净等问题。

（2）润滑系统方面也进行了检查。确保润滑油的选择符合规范，加注和更换都严格按照操作规程进行。润滑不良是导致轴承失效的常见原因之一，要对此环节进行严格把控，以避免因润滑问题导致的轴承失效。

（3）关注轴承的制造质量。通过对比分析多件大修的压气机后轴承尺寸数据，能发现尺寸胀大现象普遍存在，尺寸胀大不仅会影响轴承的精度和性能，还可能导致轴承在工作过程中发生异常摩擦和磨损。

通过分析后发现，轴承材料中残余奥氏体含量较高是导致尺寸胀大的重要原因。残余奥氏体作为亚稳定组织，在一定温度或长时间工作条件下容易发生相变，导致尺寸不稳定。为进一步验证分析结果，开展多次保持架跌落试验：在试验过程中严格控制试验条件，确保试验结果的准确性和可靠性。经过逐一排查和分析，排除了23 个底事件作为故障的直接原因，但仍有2 个底事件无法排除：轴承使用过程中尺寸不稳定和保持架存在初始损伤。这2 个因素相互交织、相互影响，共同导致压气机后轴承的失效。具体见表1。

2.5 改进措施

针对航空发动机压气机后轴承失效故障，尤其是在轴承尺寸不稳定和保持架初始损伤方面，进行深入的故障原因分析，并提出以下具体的改进措施，以确保轴承的长期稳定运行。

2.5.1 轴承尺寸稳定性的增强

针对轴承尺寸胀大的问题，对现有的热处理工艺进行全面优化，深入研究后决定在淬火工艺后增加冷处理步骤，并且还在原有工艺中增加一次附加回火工序，通过特定的温度和时间控制，进一步释放轴承内部的加工应力，并稳定其内部组织，减小轴承尺寸的波动范围。而且想要确保每一批次的轴承都符合高标准，必须执行严格的抽样检测制度，采用先进的检测设备和技术，对轴承的尺寸稳定性进行全面检测。只有当轴承的尺寸稳定性符合既定的判定标准时，才可以被认定为合格产品。

2.5.2 加强防护与运输过程中的安全措施

在轴承的制造和运输过程中要考虑保持架的安全问题，为防止保持架在运输过程中发生松散或跌落，在运输前，需用坚固耐用的牛皮纸将保持架包裹严实，防止保持架在运输过程中受到外界环境的侵蚀和损伤，还可以减少因摩擦而产生的噪声和振动。同时还要在牛皮纸的两头接口处使用高强度胶带进行十字交叉状捆扎，该捆扎方式不仅可确保保持架在运输过程中的稳定性，还可以有效防止因包装破损而导致的保持架松散或跌落。包装过程中必须严格遵守操作规范，轻拿轻放，避免产生任何碰撞或包装破损，否则任何微小的损伤都可能对保持架的性能和寿命产生不可预测的影响。部分企业已经设计了坚固耐用的专用纸箱，具有良好的抗压和抗冲击性能，可有效保护内部保持架不受损坏。并且在装箱时会用泡沫、海绵或软性填充纸等减振材料填充空余处，确保内部的保持架在运输过程中不会晃动或碰撞。

3 结束语

通过对航空发动机压气机后轴承失效故障的综合分析，了解到原因包括设计缺陷、材料疲劳、运行环境恶劣、维护不当等。在现代航空工业中，压气机后轴承的稳定性和可靠性对于发动机的整体性能至关重要。为预防类似故障的发生，需要从设计、材料、制造、运行及维护等多个环节综合考虑。未来希望广大航空从业人员和研究者继续关注轴承失效问题，加强相关研究和技术创新，不断提高航空发动机的可靠性和安全性。

参考文献

[1] 袁同燕，满维伟．某发动机压气机前轴承剥落原因分析与改进[J]. 轴承，2019（8）：30-33.

[2] 李密，周伯宁．某型飞机用轴承失效原因探析[J]. 热加工工艺，2019，48（4）：256-262.

[3] 李子麟，时振刚，铁晓艳，等．重型磁悬浮转子跌落保护轴承失效机理[J]. 中国机械工程，2023，34（9）：109-118.