1、故障现象
某双发飞机飞行过程中，左发空中报“降转”信号，飞行员将油门拉至慢车，降转信号不消失，发动机拉停后单发安全着陆。发动机返厂分解检查，发现3号轴承失效，轴承保持架碎裂，部分钢球磨损，套圈滚道表面有挤压痕迹。该发动机总工作时间为35h9min，其中厂内工作时间为18h41min，外场工作时间为16h28min，共计飞行8个起落，空中时间为7h40min。
3号轴承损伤情况。
双半内圈整体比较完整，呈黑灰色，滚道表面伴有挤压变形，沟底有高温黏结现象，有与钢球对应的接触痕迹。滚道边缘区域有多处分布的点状及片状剥落麻坑，表面有挤压伤。
外圈形状保持完整，呈黑灰色，滚道及外圈内径严重磨损，并伴有挤压变形，滚道边缘有挤压凸起。槽口端面朝上沿逆时针方向滚道圆周有与钢球对应的13处较清晰的轴向亮痕，其余部位滚道呈逐渐增强的亮白色。槽口一侧引导面倒角处有明显的碰撞痕迹。
20粒钢球中，7粒钢球磨损较重，呈柱状或腰鼓状；6粒稍重，表面凹凸不平，形状呈多棱状；7粒相对较轻，保持较完整球形，但表面有密集点状挤压伤。
保持架所有兜口都发生了断裂，发现的碎块残骸共有31个大块和一些小块，这些碎块表面仍可见银层，拼接后仍能构成基本完整的20个兜孔。其中有8块横梁未断裂，呈工字形；23块衡梁断裂，呈T字形；有1块碎成多个小块，这些碎块表面仍可见银层，所有保持架碎块的外径表面均可见明显的与外套圈引导面对应的两条磨沟，深度为0.6~0.8mm。
在保持架残留兜孔靠近横梁和侧梁处均可见明显的与钢球接触的弧面痕迹，保持架碎块后端面均存在密集的撞击麻坑或麻点，前端面则保持完好。
2、故障树
针对3号轴承保持架断裂故障现象，从设计源头入手，共梳理出设计、材料、加工生产、装配、试车和使用等10个方面37项可能导致故障的因素，建立故障树，如下图所示。
3、故障排查
3.1尺寸链计算
由于本次分解检查时发现，3号轴承密封座和密封跑道发生碰磨，保持架发生碎裂，所以对装配状态下所有轴向和径向尺寸链进行复算校核。
（1）3号轴承密封座与跑道间隙计算
该发动机3号轴承密封座与密封跑道碰磨，对密封座与密封跑道的间隙进行重新计算。计算结果表明，极限状态下3号轴承密封座与密封跑道最小轴向间隙为0.mm，最小半径间隙为0.mm，不会产生碰磨。
（2）3号轴承保持架与喷嘴间隙计算
对3号轴承保持架与后供油喷嘴间的间隙进行计算，结果表明极限状态下保持架与后供油喷嘴之间的最小间隙为0.mm，不会产生干涉。
3.2外场使用过程复查
故障发动机在外场累计工作时间为16h28min，飞行时间为7h40min。
复查飞行期间发动机在外场的使用维护情况，可见各项操作均符合使用维护规程要求，发动机定期进行了开车、油封以及检查工作。
复查故障次飞行前的滑油光谱检查结果，各金属元素含量均符合要求，Fe元素含量最高3.2ppm，其余元素含量均在1ppm以下，无异常元素含量超标和增长迹象。
飞参判读可见，“降转”信号是由滑油金属屑末告警和滑油供油压差低于限制值所导致的，当发动机运行至28min11s时发出滑油金属屑末告警信号导致飞机报“降转”信号，运行至29min54s时滑油压差低于限制值再次使飞机报“降转”，滑油金属屑末告警信号和“降转”信号均一直持续到发动机停车。
3.3发动机厂内生产质量复查
经复查，该发动机在厂内共进行了4次装配，进行了工厂试车、附件试车、检验试车及密封试车，试车过程的振动情况、滑油消耗量均符合要求，滑油滤、磁塞和金属屑末信号器检查情况无异常，试车后光谱取样分析均符合要求。
3.4理化分析
对分解检查后的3号轴承外圈、内圈、钢球及保持架，3号轴承密封跑道，中央齿轮箱壳体等损伤件和发现的碎块、金属丝以及外场、厂内分解时收集到的金属碎屑、油液进行了理化检查和分析。
（1）外场及厂内分解收集碎屑检查
对外场滑油滤、金属屑末信号器、磁塞上以及中介机匣中收集到的碎屑进行了能谱检查，其中主要几种成分为Cr4Mo4V轴承钢、1Cr13（对应3号轴承密封座）、40CrNiMoA和Ag（对应轴承保持架和密封跑道）。
（2）油液检查分析
对外场收集的滑油进行理化性能分析，结果表明滑油运动粘度和酸值两项指标均在标准要求范围内。
（3）3号故障轴承检查
故障轴承内、外圈滚道表面存在明显的凹坑，在扫描电镜下放大观察，应为滚动接触疲劳所产生的基体剥落。如下图。
对3号故障轴承的内、外套圈，钢球，保持架进行理化分析，其中各部分的化学成分、基体组织均符合标准要求。内、外圈及钢球的碳化物最大尺寸约为17微米，但外圈存在碳化物偏聚现象，碳化物聚集成一链状，观察到最长为76.82微米。
轴承的内、外圈基体硬度符合标准要求。在外圈的滚道面和引导面处均发现明显的淬火层，外圈引导面的二次淬火层厚度3~3.5mm，滚道面二次淬火层为1~1.5mm。检查表明外圈引导面和滚道都由于发生了严重的磨损而产生了高温。对内圈和磨损程度不同的钢球进行了组织检查，发现内圈和钢球也存在高温过热迹象，其中钢球芯部硬度低于标准，与钢球工作温度过高导致芯部组织回火有关。
外圈显微硬度检测结果
位置
HV0.2
平均值
对应HRC
外圈引导面淬火层
62
基体
63
滚道面淬火层
65
内圈显微硬度检测结果
位置
HV0.2
平均值
对应HRC
淬火层
65
基体
63
钢球显微硬度检测结果
位置
芯部平均值
表面平均值
腰鼓形
HV（48HRC）
HV（65HRC）
多棱形
HV（50HRC）
HV（64HRC）
近似完整球形
HV（51HRC）
HV（64HRC）
保持架兜孔工作面及外径引导面均有严重磨损，超过1/2厚度的保持架出现过热现象。保持架与钢球接触的工作面存在过热区，保持架的外引导面也存在过热区。
对保持架兜孔和外引导面进行了显微硬度检测，检测结果如下表所示。可见保持架与钢球接触的工作面由于摩擦导致过热，温度超过相变温度，表面出现淬火现象，导致硬度升高，最高硬度达到了HV；与外圈接触的保持架引导面由于剐蹭导致温度更高，其硬度也更高，最高达到了HV。
较完整保持架碎块显微硬度检测结果
与工作面距离/微米
显微硬度HV
兜孔与钢球接触区域
40
引导面
30
基体
保持架后端面T形碎块显微硬度检测结果
与工作面距离/微米
显微硬度HV
兜孔与钢球接触区域
30
1
引导面
30
基体
（4）3号轴承密封跑道检查
对中轴承腔里收集到的碎块和金属丝状物进行理化分析和成分检查，发现一块直径约为5mm的碎块，成分为钠仓石（CaMgCO3），剩余发动机外的异物。其余碎块成分为40CrNiMoA，金属丝为1Cr13型钢。
3.53号轴承生产质量复查
对故障轴承同批次产品进行了生产质量复查，复查项目包括原材料、热处理质量、无损检验、工序加工质量等。存在下面两个问题：
（1）3号轴承保持架材料为40CrNiMoA，在生产过程中没有进行任何无损检测，而国外同类保持架要求进行%无损检测。
（2）根据HB-《金属镀覆和化学覆盖工艺质量控制》和HB/Z4-《电镀银工艺》标准规定，3号轴承保持架材料为40CrNiMoA，最大抗拉强度为MPa，电镀至除氢处理之间的间隔时间不超过10h，除氢温度为±10℃，时间应大于3h。而复查H轴承厂工艺对40CrNiMoA保持架镀银标准为ZZH11-36《保持架镀银工艺规程》，要求为升温至±10℃，恒温时间1h。其中对电镀至除氢处理之间的间隔时间没有规定，除氢温度和时间均与航标规定不符。对库存同批次的8件保持架进行了荧光磁粉探伤、硬度、尺寸精度检验，全部合格。
3.6润滑条件复查
（1）流路喷嘴堵塞检查
现场选用?1.2mm的保险丝对喷孔进行检查，均可自由进入，无堵塞现象，同时现场选取其他两台喷嘴进行检查，与故障发动机喷嘴相近。
（2）喷嘴流量计喷嘴方向复测
复查了工厂装配时的喷嘴流量试验记录，所有喷嘴流量和方向均合格。
分解后又进行了滑油流量及喷射方向的复测试验，所有喷嘴的滑油流量均合格。由于前供油喷嘴和后供油喷嘴变形，试验时滑油喷射方向略有偏转，但基本仍向轴承供油。结合飞参记录中滑油压力结果，表明3号轴承润滑、冷却良好。
3.7污染物及腐蚀情况复查
（1）污染物进入情况检查
针对发动机装配及试车过程中产生污染物进入滑油系统进而损伤3号轴承的问题，进行了如下检查：
a.复查了装配前清洗和清洁度检查记录，发动机管路装配前均按照要求进行了清洗并合格。清洁度检查结果如下表所示。
清洁度检查结果
检查项目
冲洗标准
第1次装配
第2次装配
第3次装配
滑油箱
压力0.25~0.35MPa，时间不小于2h，冲洗后滑油腔滑油固体污染度均不低于7级，燃油腔滑油固体污染度均不低于7级，燃油腔滑油固体污染度均不低于6级
合格
合格
合格
进气机匣
油温50~70℃，压力0.~0.MPa,时间20~25min，冲洗后滑油固体污染度均不低于7级
7级
7级
未分解
中介机匣
油温50~70℃，压力0.~0.MPa,时间15~20min，冲洗后滑油固体污染度均不低于7级
7级
7级
未分解
涡轮后机匣
油温50~70℃，压力0.~0.MPa,时间20min，冲洗后滑油固体污染度均不低于7级
7级
7级
7级
附件机匣
油温50~70℃，压力0.25~0.35MPa,时间20min，冲洗后滑油固体污染度均不低于7级
7级
合格
未分解
b.进行发动机分解后的其他轴承腔及滑油部件的检查，在中轴承腔下方回油滤网附近找到一块直径约为5mm的异物块，经理化分析，确认此异物块为钠仓石（CaMgCO3），属于发动机以外的异物。
（2）轴承腐蚀检查
经复查，故障轴承在存储、零件周转、发动机装配等环节中均按照要求进行了油封及防护，且附加试车后的故检中没有检查到由于腐蚀造成的初始缺陷。
发动机分解后，对其他4个支点主轴承进行了外观检查，均未发现腐蚀情况。
3.8中央传动部件检查
（1）轴承安装配合记录复查
a.各支点轴承详细数据
对1~5号支点轴承新品外观及故检尺寸检查情况进行复查，各支点轴承均符合要求。
b.各支点轴承及相关零、组件装配情况
对各支点轴承及相关零、组件装配配合情况进行复查，均符合要求。
c.相关支点轴承螺母拧紧力矩复查
对3号轴承拧紧力矩复查，满足设计要求。
（2）3号轴承尺寸复测
由于3号轴承已经损坏，变形较大，外圈外径减小最大约0.30mm，内径增大最大约0.18mm，钢球已经严重磨损，测得的尺寸为21.05~23.21mm（设计尺寸为22.mm）。又复测了轴承的径向游隙和轴向游隙，由于钢球严重变形，滚道已经磨损，测得的轴向游隙为2~3.4mm，径向游隙为0.6~1.4mm。
（3）中央齿轮箱零、组件装配尺寸复查
复查了中央齿轮箱相关零件不合格品审理单共有5份，不存在影响故障的超差项。复查了厂内装配参数（轴向窜动量、中央锥齿轮啮合间隙、主动锥齿轮调整垫厚度、从动锥窜动量），均符合要求。
针对3号轴承故障，将中央齿轮箱组件分解至零、组件状态后，进行了详细测量。中央传动壳体等等，组件变形较小，未发现对故障有影响的超差项。
针对主调整垫变形可能导致与保持架干涉，进行了实物测量及复装试验，测量结果表明前调整垫变形不会对保持架产生干涉影响。
（4）3号轴承密封座、密封跑道尺寸复测
复查了3号轴承密封座和密封跑道的加工质量，复查零、组件制造，无超差记录。3号轴承密封跑道组件组合加工前、后均进行荧光检查。
对3号轴承密封座与3号轴承密封跑道进行尺寸复测，未发现存在对故障有影响的超差项。
3.9载荷分析
（1）外场载荷复查
根据外场飞参复查结果，可见飞行中机动载荷较小，中间以上状态停留时间较短，不存在较大机动载荷造成的额外载荷。
（2）中央锥齿轮附加载荷复查
对中央锥齿轮啮合印痕原始情况进行复查，可见装配时的印痕符合要求。中央主动弧齿锥齿轮所受轴向力、径向力及中央从动弧齿锥齿轮所受轴向力、径向力大小如下表所示。可见，中央主动锥齿轮对3号轴承的附加轴向力方向向后，和高压转子轴向力方向相同。在正常工作状态下，此附加力为3.4N，数值较小不会对3号轴承产生影响。
主、从动弧齿锥齿轮载荷表
轴向力/N
径向力/N
主动弧齿锥齿轮
3.4
.3
从动弧齿锥齿轮
.3
3.4
（3）转子动不平衡量影响
复查装配时的高压转子动不平衡量，符合设计要求，未发现存在由于高压转子动不平衡量过大造成的影响。
（4）轴向载荷
复查故障发动机影响高压转子轴向力的相关封严的装配前尺寸，均符合要求，根据以往发动机台架轴向力测量结果，结合轴承外观检查，故障发动机不存在轴向力过大的情况。
3.10振动情况复查
（1）发动机振动情况复查
经复查，故障发动机总体振动水平较低，不存在发动机振动过大造成轴承损坏的情况。
（2）振动传感器检查
在标准振动台上检查传感器的频响和线性度，可见平滑度和线性误差均小于5%，满足技术要求。校准机载振动通道，符合校准技术要求。
此外，为了验证振动传感器的有效性，在另一台发动机上进行试车对比试验，试验结果表明振动传感器工作正常。
3.11强度计算分析
（1）保持架振动计算
进行了保持架振动特性分析，并且进行了保持架模态试验，理论计算结果与实际频率测量结果基本一致。
中央传动锥齿轮、附件机匣内连接中央传动杆的中心锥齿轮在1.0工况下对保持架的激振频率分别为11Hz、Hz。共振图如下图所示。
保持架共振图
a.在慢车转速，前15阶范围内，中央传动锥齿轮激振频率与14、15阶固有频率的裕度分别为8.96%和0.61%。
b.慢车转速，前15阶范围内，考虑附件机匣内锥齿轮激振，保持架从第8阶开始存在裕度小于10%的情况。
慢车转速以上，中央锥齿轮不会引起保持架前13阶共振，第15阶频率裕度较低；附件机匣内通过中央传动杆连接的中心锥齿轮不会引起保持架前7阶共振。
3.12轴承故障资料查询
查询轴承故障资料，在一套失效轴承的检查中，如果发现保持架损伤，是很难确定原因的。通常该轴承的其他部件也存在损伤，这使得找到故障原因更加困难。但是，也有一些确定的主要起因，包括振动、超速和堵塞等。
（1）振动
当轴承受到振动影响，由于惯性力很大，振动作用一段时间后会导致保持架
出现疲劳裂纹，迟早这些裂纹会发展成保持架破裂。
（2）超速
如果轴承转动速度超过了保持架设计转速，保持架就会受到很大的惯性力作用，这些惯性力会导致保持架破裂。在转速非常高的地方，通常会选用带有特殊设计保持架的轴承。
（3）堵塞
剥蚀的碎片或其他硬质颗粒可能携入保持架和滚动体之间，从而阻碍滚动体绕自身轴线旋转，进而导致保持架失效。
4、故障原因
4.1故障树底事件排查
对轴承损伤故障树的所有37个底事件进行了逐一排查，排除了35项底事件，确认存在问题的底事件有2项，如下表。
序号
内容
序号
内容
1
碳化物偏聚
2
加工装配残留物
4.2未排除故障树底事件分析
本次故障和之前保持架断裂故障相比，其特点在于：
（1）保持架多块碎裂；
（2）保持架和套圈引导面严重磨损；
（3）保持架接触区高温变硬；
（4）润滑、冷却充分；
（5）保持架后端面有大量敲击痕。
经查本次故障与振动、超转、缺少润滑等因素无关。根据故障树分析结果，还有2个存在问题的底事件，即碳化物偏聚和加工装配残留物。下面对这2个剩余底事件进行分析：
理化检查中，在故障轴承外圈发现存在碳化物偏聚现象，同时在碎屑的铁谱检查中也发现存在大量的层状颗粒，这种层状颗粒正是由于轴承滚动接触疲劳产生的。轴承钢材料碳化物尺寸、分布对轴承疲劳寿命有较大影响。碳化物以球状、细小、均匀、弥散分布为佳。如果轴承工作面出现碳化物偏聚，将严重削弱轴承的疲劳寿命，会导致轴承工作面较早出现剥落，产生大量金属碎屑。
另外，在中轴承腔内发现了一个碎块，鉴定为钠仓石（CaMgCO3），此碎块属于发动机外的异物，可能是由于加工装配带来的残留物。
因此，这两个剩余底事件最终都可以归纳为产生异物。这些异物、杂质等进入轴承后，会给轴承带来较大的影响。而异物进入轴承是国外轴承资料中保持架断裂故障的主要原因之一，会造成保持架断裂。
4.3故障机理分析
3号轴承为外引导轴承，保持架引导间隙较小，如果轴承剥落产生的碎屑或加工装配带来的残留物进入轴承内部，则有一定概率会卡在保持架和外圈引导面之间。这会引起保持架引导面的磨损，使保持架温度升高，产生膨胀并与外圈引导面发生紧密接触摩擦。从本台故障轴承的磨损痕迹来看，保持架外径表面均可见明显的与外圈引导面对应的两条磨沟，这说明在保持架断裂之前，保持架引导面已经发生了严重磨损。这种存在于保持架引导面上严重的磨损，正是来自于保持架膨胀后与外圈之间的持续而强烈的摩擦，将会直接导致保持架温度进一步急速升高。而保持架与外圈引导面的摩擦，同时也会增大保持架的转动阻力，使钢球产生打滑现象，钢球与兜孔之间的滑动和碰撞程度加重，导致保持架兜孔温度升高。由于保持架外引导面是纯滑动磨损，而钢球与兜孔之间仍存在一定程度的滚动摩擦，因此，外引导面磨损产生的温升会高于兜孔工作区的温升。
从保持架碎块的理化检查结果可知，保持架与钢球接触的工作区域最高硬度为HV（52.5HRC）。而由于保持架的外引导面磨损更加严重，温度也比兜孔内接触区要高，其最高硬度为HV（62.05HRC），而且已经有约50%的厚度呈现明显过热区。这说明保持架外引导面和兜孔接触区由于摩擦导致过热，达到相当高的温度，已经超过了材料的相变温度。由于此时3号轴承的润滑冷却效果仍然良好，保持架产生了二次淬火现象，经淬火后，抗拉强度增加，而韧性和塑性下降到正常值的约1/4,保持架变为一个硬而脆的实体。
由于三点角接触球轴承的特点，所有的钢球都会对保持架兜孔产生碰撞。这种力在正常工作时不会对保持架产生影响，但在保持架最薄弱的位置：兜孔侧梁和横梁上造成破坏。从保持架强度计算分析结果可以看到，兜孔的横梁强度要强于侧梁强度，这也是侧梁全部断裂而横梁部分断裂的原因。
淬火一次保持架试验结果也印证了上述推理，当保持架淬火后，硬而脆的保持架会影响轴承的正常工作，在钢球的不断撞击下，保持架强度薄弱点横梁和侧梁产生断裂，而继续工作则会导致轴承外圈、内圈、钢球等出现较重磨损。
本次轴承故障形貌出现了与以往故障不同的几个特征的主要原因是异物嵌入了保持架引导面，引起了保持架温度的急剧升高，这种现象在之前的轴承故障中是没有出现的。根据上述故障特征，整个故障过程可以推演如下：由于异物嵌入保持架引导面与外圈之间，使保持架引导面磨损发热，保持架升温后与外圈引导面发生严重的磨损，最终导致保持架引导面和兜孔工作区域达到极高的温度，由于此时3号轴承的润滑冷却仍比较充分，喷入的滑油使温度极高的保持架表面被淬硬。保持架的断裂韧性下降，保持架变脆，硬而脆的保持架在钢球持续的撞击下产生了多块碎裂的故障形貌。而异物对保持架的一个端面多次敲击，也会影响到保持架的运行姿态，使保持架发生摆动，加大了保持架的破坏程度。
保持架碎裂后，碎裂的保持架留在轴承中，会严重阻碍钢球的运转，导致钢球与保持架以及内、外圈之间产生滑动，套圈和钢球的温度急剧升高，出现热膨胀使部分钢球卡死后，在内、外圈之间被拖蹭挤压，发生材料熔融和转移现象，在钢球和内、外圈的接触区域形成了过热区，导致内、外跑道表面出现挤压变形和高温黏结现象，钢球则发生了严重变形。3号轴承失效后轴向、径向游隙增大造成转子偏转，导致3号轴承密封件的严重碰磨损伤。
从曾经发生的轴承故障情况来看，3号轴承剥落后会产生大量的金属屑，但并没有导致保持架引导面严重磨损甚至破裂，由此可以推论，异物嵌入到保持架引导面导致保持架损坏是一个小概率事件，因此本次故障属于偶发性非正常失效模式。
4.4综合分析
本次故障中，3号轴承保持架碎裂故障的主要原因是由于异物进入轴承并嵌入保持架引导面。而异物产生的原因可能有两种，一是加工装配带入的异物，二是轴承套圈剥落产生的金属屑。
保持架碎裂后导致部分钢球卡死，与套圈发生严重的挤蹭，引起温度急升，套圈熔融磨损，钢球严重变形，导致轴承失效，游隙变大，最终造成转子偏转，引发密封件等其他零部件的磨损。
5、排故措施
根据故障原因分析结论，为避免出现类似故障，提高3号轴承的可靠性，拟采取如下两方面措施：
（1）提高发动机装配全流程的质量控制。本次在故障发动机轴承腔中发现一块直径约为5mm的异物块，属于发动机以外的异物。建议完善发动机装配过程中的相关防护措施，制定专项工艺文件，同时建议承制厂建立滑油系统部件清洁度的专项整顿工作，对生产、加工、装配环节中的部件清洗、包装、运输工艺重新梳理，编制详细的工艺流程，制定严格的可量化的部件清洁度验收标准。另外建议继续研究整机清洗工艺。
（2）针对3号轴承存在外圈剥落、保持架碎裂等故障，需要明确轴承成品的碳化物形态和尺寸控制要求；优化轴承精密磨削工艺，开展轴承表面完整性的研究；开展3号轴承采用国产材料的应用研究。
6、措施验证
贯彻排故措施后，无故障复现，因此排故措施有效。
预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇