航空发动机加力泵斜盘轴承内罩凸出故障分析及预防

闫冬，胡燕鸣，郭欣达，王洪

(1.空军驻安顺地区军事代表室，贵州 安顺 561000；2.贵州天马虹山轴承有限公司，贵州 安顺 561000)

某型航空发动机试车到270 h时出现加力接不通故障，分解检查发现，加力泵中心油滤、偏心轮、进口油滤、柱塞孔、转子腔等处均有金属屑，转子组件柱塞全部卡死在下死点处，加力泵无法正常工作。为此，采用故障树分析方法对故障原因进行研究。

1 故障现象

故障轴承为推力球轴承，主要由轴圈、座圈、钢球、保持架和内罩构成,因轴圈工作表面呈斜盘状，也常称其为斜盘轴承。其中套圈和钢球材料为Cr4Mo4V高温轴承钢，保持架材料为QAl10-3-1.5铝青铜，内罩材料为08Al低碳钢。

柱塞头工作表面及与其相接触的斜盘轴承轴圈工作表面均出现严重磨损，分别如图1、图2所示。

图1 柱塞头工作表面

图2 斜盘轴承轴圈工作表面

将斜盘轴承从轴承壳体内取出后观察发现，轴圈外径面和座圈外径面均有沿圆周方向一周的明显摩擦痕迹(图3)，轴承壳体内径表面和底部也有明显摩擦痕迹(图4)。

图3 轴承轴圈和座圈外径表面

图4 轴承壳体内径和底部

轴承轴圈与内罩接触并留下明显摩擦痕迹(图5)，轴承内罩凸出座圈端面，二者之间出现一周不等距间隙(图6)。

图5 轴承轴圈与内罩接触摩擦

图6 轴承内罩凸出座圈端面

分解斜盘轴承检查发现，内罩锁口边缘出现沿圆周方向的磨损亮带，露出金属材料基体(图7)，内罩与座圈端面接触部位沿圆周方向有一周接触亮痕(图8)。

图7 轴承内罩锁口边缘磨损

图8 内罩与座圈端面接触部位亮痕

2 故障原因分析

斜盘轴承内罩凸出座圈端面问题是分析该起发动机加力接不通故障的关键。由于该问题极具偶然性，无法进行故障再现，因此采用故障树分析法进行分析[1-4]。把斜盘轴承内罩凸出问题作为顶事件，建立如图9所示的故障树。

图9 斜盘轴承内罩凸出故障树

2.1 轴承制造质量排查

2.1.1 原材料质量复查

经对轴承原材料进行复查，轴承零件材料均按GJB 269—1987《航空滚动轴承技术条件》进行控制，并经厂家及轴承厂检验合格。对故障轴承零件进行理化检测，各项指标均合格，未发现材料缺陷。

2.1.2 生产过程复查

该轴承为成熟产品，轴承零件均为批量生产，生产工艺稳定，经查故障批轴承零件生产情况及过程质量记录，加工质量稳定，无异常。对故障轴承零件进行金相和硬度检测，结果符合GJB 269—1987要求，热处理质量稳定。

2.1.3 压装过程复查

轴承内罩压装分为预压罩和整体压罩两步：预压罩是将轴承座圈和内罩放入模具中进行压装，使轴承内罩压入座圈(图10)；整体压罩是将完成预压罩的轴承座圈、轴圈、钢球和保持架组合后放入模具中进行压装(图11)。为复查轴承压装过程，进行多次压装试验，包括：将内罩斜置进行预压罩、在轴承座圈与模具间放置异物进行预压罩、垫斜底模进行预压罩、调整压力机行程进行压装等，均无法压装出内罩凸出座圈端面的轴承，因此可以排除压装过程导致的内罩原始凸出的情况。

1—下模；2—上模；3—内罩；4—座圈

1—上模；2—导柱；3—限位块；4—内罩；5—轴承；6—下模

2.1.4 轴承质量复查

故障轴承可以正常旋转，无卡滞，轴承分解后检测轴承零件尺寸精度，除轴承工作表面及安装配合表面磨损、变形部位外，其余各项尺寸精度符合轴承产品图样规定要求，轴承质量合格。

2.2 轴承设计质量排查

斜盘轴承的额定寿命为

Lh=106(C/P)/(60n)=16 667(C/P)ε/n，

式中：C为基本额定动载荷，N；P为当量动载荷，N；ε为寿命指数，根据GB/T 6391—2010《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》，取ε=3；n为轴承转速，r/min。通过理论计算，该轴承在载荷最大点的寿命值远大于加力泵使用寿命。

斜盘轴承已服役30多年，广泛用于航空发动机燃油泵、加力泵等油泵，经过长期验证，可以满足油泵使用要求，轴承设计满足要求。

2.3 轴承安装质量排查

2.3.1 安装过程复查

轴承座圈与轴承壳体是过渡配合，安装轴承时将轴承压入轴承壳体即可，加力泵转子组件9个柱塞头部顶紧在斜盘轴承轴圈工作斜盘面，通过钢球传递压力将轴承座圈压紧在轴承壳体底部。安装工艺规定用塞规检查轴承座圈与轴承壳体底部间的间隙量不大于0.5 mm。经复查安装过程及质量记录，实测间隙量为0.2～0.4 mm，满足工艺要求，安装过程无异常。

2.3.2 发动机试车参数复查

对发动机试车参数进行复查，故障发生前各项参数均在正常范围，亦无较大波动。轴承安装质量问题导致的故障均发生在工作早期，不会到270 h时才出现故障，早期各项试车参数均无异常，所以可以排除轴承安装质量问题。

2.4 异物混入排查

从分解检查情况可以确定，金属屑堵塞柱塞孔，转子组件的9个柱塞全部卡死是导致加力泵不能正常工作、发动机出现加力接不通故障的直接原因。对加力泵内中心油滤、偏心轮、进口油滤、柱塞孔、转子腔等各处的金属屑进行能谱分析，其主要成分是Fe，C，O元素，含有少量Cr，Mo，V，Si，Ag等元素，均为轴承和柱塞材料成分，因此排除异物混入的可能。

2.5 运输过程排查

该发动机试车至250 h左右时曾进行过转厂，后又继续进行试车。借鉴以往经验，曾有发动机转厂过程中，由于拆卸安装、搬运装箱以及交通路况不好等因素影响，产生振动，出现轴承脱离轴承壳体的情况。斜盘轴承与轴承壳体间存在一定间隙，操作者拆卸轴承时采用敲击振动的方式，因此，存在外部振动致使轴承脱离轴承壳体底部的可能性。

3 故障机理分析

斜盘轴承内罩的主要作用是连接轴承座圈和轴圈，确保轴承在运输、安装时不会发生散套问题。正常工作情况下，轴承轴圈被柱塞头顶紧，内罩不会与其接触。一旦轴承座圈脱离轴承壳体底部，轴承就会产生偏斜，柱塞头在轴圈斜盘面上的顶紧力会变得不均匀，使轴承轴圈出现受力不平衡，导致轴圈与内罩接触，出现磨损，产生金属屑，金属屑进入柱塞孔，导致柱塞卡死，轴承受力越来越不平衡。系统的非正常运转，必将导致柱塞头表面与斜盘轴承工作表面也发生磨损，产生的金属屑增多，使转子组件的柱塞全部卡死。另一方面，轴承轴圈与内罩接触产生作用力F，相对内罩与座圈接触的固定点O点产生一个旋转力矩M=FL(图12，图中L为作用力F对点O的力臂)，在M作用下，内罩逐渐脱离座圈端面，出现间隙。内罩凸出量越来越大，直至与轴承壳体底部接触并产生相对滑动，在轴承壳体底部留下一小段明显痕迹。

图12 斜盘轴承内罩凸出机理图

通过故障分析可知，故障原因为发动机在转厂过程中产生振动因素，导致加力泵斜盘轴承脱离了轴承壳体底部，再次恢复试车后斜盘轴承与轴承壳体间出现偏斜，工作中轴承轴圈与内罩相接触，并产生磨损。

4 预防措施

1) 加强发动机运输过程控制

采取必要的减震保护措施，此外，在发动机运输完成后，应采取有效的检查手段，确保内部类似斜盘轴承这种以过渡配合安装的轴承保持其正确的安装位置。

2) 加强轴承内罩与轴圈间隙的控制

轴承内罩与轴圈异常接触并发生磨损是金属屑产生的直接原因，为进一步提高轴承可靠性，避免轴承内罩与轴圈的异常接触，还要加强对轴承内罩与轴圈间隙量控制，合理确定内罩压装后的锁口开口尺寸，同时加强轴承轴向串动量的控制。

3) 加强轴承安装质量控制

为避免类似问题发生，更要加强轴承安装质量的监控与检查，避免轴承出现脱出壳体、偏斜等情况。