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1、发动机典型故障的统计分析学生：宋屿指导老师：左渝饪摘要一部航空发动机发展是伴随着故障的频繁发生、排除、再发生与再排除的过程，即使是比较 成熟的航空发动机，在使用很长时间与积累了丰富经验后，也还会出现故障甚至是严重的故 障。航空发动机的故障率很难有一个标准的统计数量，这主要是由于发动机中零部件数量繁 多，其形式与功能不等，故障模式又不一样，故很难统一计量。从总体上看故障类别主要有 性能型故障，结构系统故障以及附件系统故障等。本文主要对航空发动机轴承滑蹭损伤故障 进行分析说明，并列举浅析了某型涡喷发动机主轴圆柱滚子轴承典型故障和该涡喷发动机近 年来出现过的一些常见故障。关键词：航空发动机，轴承损伤
2、,冃IJ 吞航空发动机是为航空器提供动力，实现航空器前进的装置，是保证其正常工 作所必须的系统和附件，它包括燃油系统、滑油系统、点火系统、启动系统和防 火系统等。航空发动机从宏观上可以分为活塞式发动机和空气喷气发动机两大类 （空气喷气发动机乂可分为带压气机的燃气涡轮发动机和不带压气机的冲压喷 气发动机），本文主要以带压气机的的燃气涡轮发动机为例展开分析。燃气涡轮发动机主要由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其 工作原理是将从进气装置进入的空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室并在那里 与喷油嘴喷出的燃油混合燃烧，生成高温高压燃气，燃气在膨胀过程中驱动涡轮 作高速旋转，将部分能量转变为涡轮
3、功，涡轮带动压气机不断吸入空气并进行压 缩，使发动机连续工作；另一部分燃气则通过尾喷管的继续膨胀，将燃气中剩余 的热焰充分转变为动能，以高速从喷口喷出，产生向前的推力，从而使飞行器前 进。组成航空发动机的零件较多，并且工作环境特殊，所以，航空发动机往往具 有多种故障模式，并且故障率也比较高，尤其是一些偶发故障。怎样根据所表现 出來的状况來准确判断、排除发动机的故障呢？那么，对航空发动机的故障进行 分析则显得相当重要！第一章航空发动机轴承滑蹭损伤故障1.1航空发动机轴承由于航空发动机轴承工况环境恶劣，并且要求长时间可靠地工作。因 此航空发动机轴承采用了一种先进的航空轴承钢制成。在轴流式压气机（尤
4、 其是多转子压气机）的航空发动机中，轴承主要用于高低压压气机前后支点、 涡轮传动、齿轮传动箱传动输出以及一些轴间轴承，其目的是支撑主轴和传 递转动，并且在转动的过程中还要承担主轴上其他零件传來的载荷。1.2滑蹭损伤滚动轴承在工作时，滚子应在内、外环滚道上作纯滚动。要使滚子作纯 滚动，必须在滚道与滚子间有足够的拖动力以克服阻碍滚子-保持架组合体 作正常运动的阻力。否则轴承不能按游星齿轮系的关系运动（内环相当于主 动齿轮，滚子相当于游星轮，保持架相当于游星架，外环相当于太阳齿轮）, 滚子就会在滚道上打滑形成滑动摩擦。由于滑动摩擦系数大于滚动摩擦系 数，加上某些外來因素使得滚子与内、外环滚道上形成干
5、摩擦，引起滑蹭， 造成滚子与内、外环滚道上出现蹭痕和表面局部磨损等，即所谓的“滑蹭损 伤”。滑蹭损伤出现后，最常见的结果是表面擦伤磨损，表面剥落等。严重时, 由于滚子与内环间产生过大的摩擦热量会使内环膨胀，减小了轴承内部的游 隙，将轴承卡死。1.3引起滑蹭损伤的因素一般机械中使用的滚动轴承由于转速低，且始终有负荷作用其上，很少 出现打滑现象。但是航空燃气涡轮发动机主轴承却很容易打滑，这是因为：（1）转速高。在高速作用下，滚子在大的离心力作用下有脱离内环滚道接 触的趋势；（2）负荷小。航空发动机的转子均做的较轻，使作用轴承上的径向负荷小, 加上飞机作机动飞行时会在某些情况下，使作用于轴承上的负荷
6、更 小，其至出现零载，以及转子的不平衡力在某些情况下会抵消一些作 用在轴承上的径向负荷，造成轴承的轻载或零载。这两方面的因素会使得由摩擦产生的拖动力变的很小，共至出现零 载，这样，就必然会引起轴承打滑，出现滑蹭损伤。对于滚珠轴承， 由于它还要承受轴向载荷，所以一般不易打滑。但是如果在飞行包线 内，转子的轴向负荷变向的话，在变方向的前后瞬间，轴承也会出现 轻载或零载，引起打滑。总之，现有的航空燃气涡轮发动机中，绝大 多数主轴承均会打滑，且会产生滑蹭损伤。（3）发动机的装配有时也会影响到发动机在工作时出现轴承滑蹭。比如： 将涡轮转子吊装到发动机时，为避免涡轮前滚棒轴承的滚棒妨碍吊 装，常用凡士林涂
7、在外环与滚棒间，以使滚棒紧贴于外环的滚道上。 这样做方便了发动机的装配，但如果在低温室外首次试车时，就可能 由于凡士林的黏性阻碍了滚棒-保持架的正常运动而引发该轴承出现 滑蹭损伤。1.4滑蹭损伤故障的防治措施（1）增加拖动力a. 减小轴承的游隙一减小轴承游隙，使滚子在离心力作用下仍能保持与 内环滚道的接触，但是，采用游隙的措施会带來其他更严重问题，特别对于 处于发动机热端的轴承，应慎用。b. 将保持架定于内环一将保持架定位于内环上，不仅减小了阻力，还增 加了拖动力，会减少滑蹭损伤。但是必须提高保持架的加工精度一提高平衡 度。c. 对轴承施加“预载”一装配时，对轴承施加一附加的径向或轴向载荷,
8、使轴承工作时，始终在内、外环滚道与滚子间有负荷作用，不出现轻载或零 载，以增大拖动力。d. 采用非圆轴承将轴承外环的外圆做成非圆形，而机匣安装轴承的座孔仍做成圆的。常 用的非圆轴承有椭圆轴承外环与三瓣式的轴承外环。e. 轴承弹赞对轴承施加预载f. 采用空心滚棒在滚棒轴承中，等间隔的安装三个薄壁截面的空心滚棒，它们在负荷下能产生柔性变形，这种轴承也成为柔性轴承。g. 调整对轴承的喷油方向将滑油喷射方向做成与滚子-保持架组合体运动方向一致，也可增加对 滚子-保持架组合体的拖动力。(2) 采用减小阻力的措施a. 减小滑油的黏性阻力b. 采用轻质材料作保持架c. 用滑动轴承取代d. 防止作用于滚珠轴承
9、上的轴向负荷变向第二章某型涡喷发动机主轴圆柱滚子轴承典型故障分析涡轮喷气发动机的主轴多采用5支点的支承方案，其中高压涡轮前轴承和高 低压转子后中介轴承多釆用圆柱滚子轴承，轴承dn值（d是轴承内径）往往超过1 X 106mm r/min, M至高达（23） X 106mm r/min以上。目前实际使用的dn值 己达2. 3X 106mm r/min,要求达到3. 5X 106mm r/mino燃气涡轮机用滚子轴承 损坏的主要原因是滚子的打滑或歪斜所造成的表面损坏。本文对收集的轴承使用 数据和失效件进行了统计分析，并对轴承的轻载打滑和滚子歪斜的产生及影响进 行了分析。2.1.数据统计和分析通过对大
10、量的该型发动机主轴轴承现场使用数据和轴承失效件的统计分析，结果 见表。由表可知，疲劳剥落仅占总故障数的2. 39%,而打滑蹭伤和摩擦磨损占总 故障数的53. 89%表故障 类型后中介轴承/套后轴承/套总数/套百分比/%摩擦磨损1368422016. 96锈蚀锈斑5810616412. 64打滑蹭伤25522447936. 93划伤压坑957016512. 72疲劳剥落130312.39其他10213623818. 35故障总数64765012971002. 2主轴轻载打滑在一般的低、中速重载条件下，滚子与滚道之间基本保持纯滚动，此时接触 区的摩擦热很小，一般能在滚子与滚道间形成完整的、稳定的油
11、膜。但是在调整 轻载条件下，滚子由于公转离心力而压向外滚道，因而外滚道接触区内的摩擦力 较大，内滚道接触区内的摩擦力较小，同时保持架和滚子所受的流体阻力也随速 度升高而增大，此时内滚道与滚子之间将出现打滑，后果是造成零件的蹭伤，有 时还会出现滚子歪斜，引起滚子端面磨损。打滑蹭伤的破坏形式是滚道或滚子表 面擦伤磨损，表面剥落。严重时，由于滚子与内圈滚道间产生过大的摩擦热，引 起内圈膨胀轴承游隙减小而使轴承卡死。燃气涡轮机中所用的高速滚子轴承滚子 数量较多，且和实体保持架组合在一起，增加了组合体的转动惯量，为了克服这 一较大的惯性阻力，滚子与滚道之间就必须有较大的拖曳力。但在这种燃气轮机 中，作用
12、在轴承上的载荷是各种旋转元件的重量及径向不平衡力，这些力一般都 很小，因此当滚子从非受载区过渡到受载区后，由于惯性阻力较大，拖曳力较小, 使滚子的速度來不及跟上，此时就会产生滚子打滑现象。导致打滑的另一因素是 轴承内部润滑油的扰动所引起的过度动力耗损。过量的润滑剂再加之釆用有挡边 的外圈，从而阻碍了润滑油从轴承向外排出的流畅性，多余的润滑剂就构成了对 滚子-保持架组合体的阻力，同时在保持架与静止的套圈引导挡边间隙中，多余 的润滑油形成一层全流体动力油膜，这个油膜的粘性不仅拖曳阻碍保持架的运动 而且还耗损较大的动力，在轴承的无载荷区内对滚子起到制动作用，使滚子进入 轴承的载荷区时，无法立即达到原
13、有速度，从而引起滚子打滑。2. 3滚子歪斜滚子歪斜指滚子围绕着与轴承轴线不平行的轴线转动。歪斜常常引起滚子端 部严重磨损，同时也形成套圈挡边和保持架的磨损，严重时还会出现滚子在保持 架兜孔中90打横，造成轴承的完全损坏。滚子歪斜由作用在滚子上的力绕通过 滚子中心的径向轴线产生的力矩载荷引起，这些歪斜力通常是由于接触区法向载 荷（或）滑动速度的不对称分布造成滚子-滚道接触区切向摩擦力的不对称分布 而产生的。滚子歪斜产生接触载荷不对称分布见图1,歪斜会造成滚子在内圈和 外圈滚道接触区上滑动。内、外圈接触区的切向摩擦力和法向接触载荷的大小与 切向滑动速度的大小和方向有关，不对称切向摩擦力产生绕y轴的
14、使滚子歪斜的 力矩，见图2,且在内圈和外圈接触区内产生的轴向摩擦力的合力也容易使滚子 发生歪斜。引起滚子歪斜的原因有两种：一是由于装配不当或轴在载荷下弯曲所引起的不对 中歪斜。在轴的支承结构中，由于同一轴上两个外壳孔加工不同轴，或有安装误 差，或轴受载后产生挠度，或径向载荷沿轴承轴向偏载，均使两轴承的中心线相 对倾斜，从而会引起较大的额外轴承载荷，特别是会产生轴向载荷。二是由于滚 子不平衡所致的旋转歪斜。滚子倒角半径相对滚子外径错位较大，修型圆弧外形 与滚子轴线产生偏移，滚子端部与滚子外径的垂直性较差均会产生一个能引起歪 斜的旋转不平衡力。在向心滚子轴承中，滚子的轴向载荷对轴承的性能产生显著
15、的影响。滚子的轴向载荷作用于滚子端面和引导挡边之间。在接触区中，载荷和 滑动联合作用，可能造成轴承过热，在一定状态下，还可能引起接触表面的磨损 和擦伤；滚子轴向载荷、滚子径向力以及套圈变形相互作用，使得滚子产生不良 影响，对滚子轴承的发热、摩擦力矩和滚动接触疲劳寿命产生显著的不良影响。 2. 4预防措施2. 4. 1高速滚子轴承的轻载打滑（1）减小滚子直径。由于高速运转时，滚子离心力与滚子直径的立方成正比， 所以减小滚子直径可显著降低离心力，从而可以减小滚子在非载荷区脱载的可能 性。（2）增加载荷下的滚子数。在大多数滚子轴承中，最大载荷下滚子数约占滚子 总数的20%,如施加一定的预载荷，则载荷下的滚子数可增加到60亂一般常釆用 椭圆滚道、柔性滚子和空心滚子的方法增加受载的滚子数。（3）采用高强度的轻质材料制造保持架，以减轻保持架重量。（4）改进滚子轴承的结构设计，使润滑油在轴承内的流畅性变好。（5）适当减小轴承游隙，以增加承受载荷的滚子数，增加拖动力。2. 4. 2滚子歪斜（1）提高轴系的加工精度和安装精度。（2）严格控制滚子的加工精度，特别是滚子倒角、修型圆弧精度和滚子端面与 外径的垂直差。（3）滚子装配前进行滚子的动平衡，以尽量减小旋转不平衡力。（4）尽量选用优质材料，以减小材质的不均匀性对轴承旋转时产生不
