摘要：在阐述轴承的结构和工作原理的基础上，分析了轴承安装不当和装配检验方法不正确导致的轴承尺寸超差以及尺寸超差对轴承磨损的影响，并提出了改进措施。实施改进措施后取得了良好效果。
关键词：航空发动机；轴承；尺寸超差；故障分析
引言
轴承是发动机的重要旋转部件，起着支撑和传动的作用。轴承的工作环境恶劣，故障类型多，危害性较大，常见的故障有滚道磨损、滚道划伤、滚动体剥落、保持架开裂、断裂等。轴承故障影响发动机的寿命、工作安全性和可靠性，轻则导致发动机报轴、断轴，产生严重振动，重则导致发动机空中停车，甚至引发飞行事故。导致轴承失效的因素复杂多变，由于工作环境和失效程度的差异，产生的失效形式影响各不相同。
因此，在航空发动机维修过程中，开展轴承的故障诊断与分析研究，统计轴承发生的各类故障，有效地分析各种故障产生的原因，针对性地提出预防和工艺改进措施，建立轴承修理数据库，对轴承的快速有效维修、提高发动机修理质量、降低修理成本和缩短发动机修理周期，以及保证发动机的安全和可靠运行具有重要意义。本文从某型航空发动机止推轴承的外观检查、尺寸测量、装配工艺和理化检测等入手，分析了故障的产生机理和原因，提出了相应的预防和改进措施。
1 故障现象
某航空发动机试车过程中，磁性屑末检测信号器报警。对报警后收集的金属屑进行了能谱分析，结果表明在金属屑中存在轴承和轴承保持架两种材料，判断轴承可能存在异常磨损。分解检查发现装于燃气涡轮轴承腔内的轴承出现故障，保持架断裂、掉块。
2 轴承故障分析与讨论
2.1 轴承结构分析
某型发动机低压转子轴为止推滚珠轴承，轴承分主列和辅助列。主列和辅助列共用一个内圈，轴承的内圈压装在中介轴上，并用花键螺母１和杯形垫圈固定在轴上。外圈压装在高压转子后轴的内圆柱面上，辅助列在前。主列在后，辅助列前有调整垫圈，垫圈前为预紧弹簧，在装配时通过控制花键螺母２的装配力矩，使预紧弹簧发生压缩变形，给轴承辅助列提供一个几千牛顿的轴向预紧力，轴向预紧力通过辅助列传递到主列，从而预防轴承主列轻载打滑，减小内圈、外圈、滚珠和保持架产生磨损，如图所示
注1.花键螺母；2.花键螺母；3.预紧弹簧；4.调整垫圈；5.高压后轴；6.导管；7.辅助列轴承；8．主列轴承；9.中介轴
图1轴承结构原理图
2.2 轴承受力分析
轴承间组配间隙合理。所谓组配间隙是指轴承中的每一个轴承都消除轴向游隙后，外环端面相对内环端面的高度之差，如图2所示。1#与2#轴承组配间隙=1#内高一(1#一2#外高)，2#与3#轴承组配间隙=3#外高一(2#-3#内高)。由于故障轴承已经严重磨损，其组配间隙已无法测量。下面从理论上分析组配间隙对轴承受载产生的影响。
轴承的具体组配要求如下:(1)轴承内、外径平均直径相差不大于2；(2)轴承内、外径径向摆动相差不大于23)2#,3#轴承径向游隙相差不得超过3；(4)在轴向预加10kgf负荷下，先将2#与3#轴承组配，然后将1#与2#轴承组配，其相互轴承组配间隙量为1.5士1.5；
图2组培间隙示意图
轴承如组配合格，正常装人发动机后，在中间齿轮向前的轴向力作用下，轴承的轴向游隙可以同时消除，在此情况下轴承均匀分担中间齿轮向前的轴向力。
如果轴承组配不合格，装人发动机后，在中间齿轮向前的轴向力作用下，可能会出现一或两个轴承的轴向游隙未被完全消除的情况，这样将导致其余轴承的受力增大，经过一段时间的工作后，导致了轴承的疲劳剥落，并最终导致轴承严重磨损。
2.3 尺寸检测
测量轴承辅助列内圈、外圈与中介轴的配合尺寸、调整垫圈和预紧弹簧尺寸。由于辅助列滚子及内外滚道表面磨损比较严重，无法准确计量，未测量滚子实际尺寸及轴承实际游隙值。由复测尺寸可以看出，故障主轴承的主列及辅助列直径尺寸存在不同程度的超差，最大超差项为内圈内径超0.021mm。根据故障轴承与中介轴承的配合尺寸数据，内圈内径与中介轴的配合尺寸符合要求，内圈内径尺寸超差不影响轴承的正常使用。
出现轴承辅助列剥落故障的发动机预紧弹簧尺寸情况。从数据可知，两台出现故障轴承辅助列剥落故障的预紧弹簧翘曲度变化量相当，且两台预紧弹簧均存在尺寸变小的情况。由此可以推断，在预紧弹簧高度值满足要求的情况下，预紧弹簧翘曲度发生变化不能构成导致轴承腔出现大量金属屑故障的充分理由。
2.4 故障原因定位
轴承游隙的出厂检验方法是测量人员采用简易的手推测量法，游隙测量值与测量人员手推力大小有着直接相关性，而手推力的大小受人为因素影响极大，从而导致产品配套性和出厂检验值的不准确性，极易造成产品超差。经现场验证，选取同一轴承，使用同一测量设备，检验人员测出的轴承游隙值为6μm，而设计人员稍用力一点，轴承游隙值就大于20μm，误差非常之大。通过机械加力的方法，施力的大小、方向均匀一致，可重复性较好。
轴承游隙由内圈滚道尺寸、外圈滚道尺寸和滚子直径三个要素组成，其中一个或多个尺寸超差将会直接影响轴承游隙值。另外轴承选配游隙时，如果检验方法不当，将导致产品配套性和出厂游隙值的不准确。
综合同批次轴承游隙超差和内圈滚道尺寸超差，可以确认故障件轴承游隙存在超差现象。故轴承游隙超差导致故障发生的原因不能排除。
3 故障的发生机理及预防措施
结合发动机故障轴承装配结构、受力分析及相关尺寸检测情况分析，当发动机高压转速大于８３％时，由于轴向力的换向，导致预紧弹簧此时处于最小压缩状态，提供的预紧轴向力最小。若花键螺母的装配力矩不足，将导致预紧弹簧提供的预紧轴向力变小，造成预紧弹簧和调整垫圈发生相对运动，使得故障轴承辅助列出现轻载打滑及爬坡故障。若辅助列滚珠出现轻载打滑，将导致保持架受力不均匀、兜孔边磨损，从而使保持架疲劳断裂。由于预紧弹簧和调整垫圈均存在不同程度的周向磨损，预紧弹簧及调整垫圈存在周向运动，即在运转过程中预紧弹簧、调整垫圈和故障轴承出现松动现象。花键螺母装配力不足是造成该松动现象的主要原因。随着发动机使用时间的增加，滚珠在内圈滚道爬坡会造成滚道磨损，最终导致辅助列保持架出现疲劳断裂，滚道滚动接触产生疲劳剥落。
基于以上分析可以得出，该套轴承的失效机理为花键螺母装配力矩不足，造成预紧弹簧提供的预紧力不足，导致故障轴承辅助列出现轻载打滑及爬坡故障，使轴承辅助列保持架断裂和滚道剥落。
为了避免该故障再次产生，需完善某型航空发动机直推轴承的装配流程及检验制度。严格执行花键螺母的装配力矩，将花键螺母２的装配工序调整为关键工序，执行自检、互检和专职检验的三检工序。对此工序应定员、定岗，确保装配质量稳定、可靠。每次大修或检修，应测量并记录预紧弹簧的尺寸及性能参数。及时发现存在的潜在故障，并采取适当的预防性修理措施，以便于总结预紧弹簧使用后的性能衰减情况。通过研究其性能衰减与高度值变化的关系，举一反三，避免类似故障发生。
参考文献：
[1] 乔鹏.多轴式压缩机止推轴承高温故障分析[J].设备管理与维修,2018(06):66-68.
[2] 甘树伍.阻尼止推轴承在排除故障中的应用[J].汽车维护与修理,2001(01):6-7.
论文作者:彭惠
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：轴承论文; 游隙论文; 内圈论文; 故障论文; 弹簧论文; 尺寸论文; 花键论文; 《基层建设》2018年第22期论文;