（机械工程专业论文）航空发动机主轴轴承可靠性技术研究.pdf

航空发动枕主辅轴承可靠性技术研究 摘要 航空发动机主轴轴承是飞机关键部件的关键零件，其可嚣性和寿命直接必系 着爱旃爨乃至飞撬静甄嚣注释寿翕。 本文建立了一套航空发动机主轴轴承现场数据收集体系殷数据处理系统，收 集了大量熬瑗蟋数器黎失效终。瑟数潦纛失效梅送行了努褥，褥究褥斑了辕承麴 主要必效模斌及形成机理，提出了预防轴承翠期失效、提高轴承可靠世e 的具体措 藏。辑究著建变 圭赣辘零瑗锯数鬟鹃霹奏拣数器攘黧，势辩辘承逐符了孚沟寿 命的评估。用娥存比率法、平均故障法和累积故障法对主轴轴承可靠淹命进行了 谤话，爆最小二乘法对蕊螽鼗擐统诗处理热暴避簿了骰没势蠢熬嚣超分褥，势瘸 d 检验法对威布尔分布和指数分布谶行了分帮检验，得出生轴轴承辩命分布菸 鍪。秘瘸理谂癸毒羹鼗，对童轴辘承弼靠寿螽、平簿慧禽、5 0 0 枣霹静霹奏痰遴 行了评估。研究了小予样、无失效数据的特点，建立丁主轴轴承可靠性试验谱估 方法，提出了滚是一定霉靠澄簧求螅阿靠毪斌验方寨。对竣避轰翦辍承遵符了 5 0 0 h 、6 0 0 h 和9 0 0 h 台架寿命试验，并对试验络果进行了可靠性分析。w 以看出， 改进鼷豹轴承具有较麓靛可靠牲东乎。 该顼茸研究了一繇列技术和方法，为今后建立航空轴承修联和可拣性标准提 供了炎实的理论依据帮实黢数据，毙不龄提褰航空发动规主鞑辘承寿愈襄霹爨性 建立了辩学拽术基础。 关毽谪：圭辘辘承失效可靠睦 r e s e a r c ho nr e l i a b i l i t y t e c h n o l o g y f o rm a i ns h a f t b e a r i n g s o f a i r c r a f t e n g i n e t h em a i ns h a f tb e a r i n g so fa i r c r a f te n g i n ea r ek e yp a r t so f p l a n e i t sr e l i a b i l i t ya n d l i f ea f f e c td i r e c t l yo nt h er e l i a b i l i t ya n d l i f eo f e n g i n e a n de v e nw h o l e p l a n e t h i sp a p e re s t a b l i s h e das i t ed a t ac o l l e c ts y s t e ma n dad a t a m a n a g e m e n ts y s t e mf o r t h em a i ns h a f t b e a r i n g s o fa i r c r a f t e n g i n e c o l l e c t e dal o to fd a t u ma n df a i l u r es a m p l e s t h r o u g h s t a t i s t i c a n a l y s i s o b t a i n e dt h e m a j o r f a i l u r em o d e lo f 廿l e b e a r i n g sa n di t sp r i n c i p l eo ff o r m a t i o n ，a n dp u ts o m es p e c i f i c m e a s u r e st h a tc a np r e v e n tb e a r i n gf r o mf a i l i n gi ne a r l ys t a g et o i m p r o v e i t sr e l i a b i l i t v w cr e s e a r c h e da n de s t a b l i s h e dd a t a m o d e lo ft h es i t ed a t af o rt h em a i ns h a f tb e a r i n g s a n da p p r a i s e d i t sr e l i a b i l i t yl i f eb yt h es u r v i v i n gr a t i om e t h o d t 1 1 em e a nh i t c h m e t h o da n dt h ea c c u m u l a t e dh i t c hm e t h o d t h em i n i m u m s q u a r em e t h o dw a su s e di nr e g r e s s i n ga n a l y s i sf o rt h er e s u l to f t r e a t m e n ti nas u p p o s e dd i s 仃i b u t i o nf u n c t i o n ，t h e“d ” e x a m i n a t i o nm e t h o dw a su s e df o rw e i b u l ld i s t r i b u t i o na n di n d e x d i s t r i b u t i o n ，a n do b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o nt y p ei nt h el i f eo ft i l e m a i ns h a f tb e a r i n g s ，a p p r a i s e dt h er e l i a b i l i t yl i f e ，t h em e a nl i f e a n dt h er e l i a b i l i t yi n5 0 0 h o u r so f 廿1 em a i ns h a f tb e a r i n g sw i t i l t h e o r e t i c a ld i s t r i b u t i o nf u n c t i o n w _ er e s e a r c h e dt h ep e c u l i a r i t y o f t h es m a l la n dn ol o s si ne 伍c a c ys a m p l eb o o k , a n de s t a b l i s h e d 廿l er e l i a b i l i t yt e s tm e t h o d ，a d v a n c e dac h e c kp l a nf o rr e l i a b i l i t v t e s tm e e t i n gas p e c i f i e dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to ft h em a i ns h a f t b e a r i n g s t h ei m p r o v e db e a r i n g sw e r et e s t e di n5 0 0 h 。6 0 0 ha n d 9 0 0 h ，a n dt h er e s u l t so f 廿l et e s tw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：m a i n s h a f t b e a r i n g ，f a i l u r e ，r e l i a b i l i t y 独剖牲声明 尜入声嘲所星交静学位论义是本人雀静薅指导下进行的龋究工作及取褥鳓研究成果。摆 我获知，陵了文中特裁魏鞋标志襄致谢驹蟪方辨，论文巾不毽食其恁大融经发表或攒麓过的 研究成果，也不包含为获得盘目b 王些采擞戡萁他教肖机构的学位成诋书而使用j 拽的材 料。与我一鬻王谗静鬻患辩本掰究所馓翡经何贡数均已农论文孛终了鹳勰敬淡疆并袭蠢；谢 意。 学位论文作者签字拉嵩悸攘字日期： 州年r 月z 日 学位论文版权使藉授权书 零学挝谂文作者竞佥了鳃垒g i 羔地太堂鸯荧缳黧、使用学搜论文驹艇定，蠢牧镰蟹 并蠢强家窍裳都门或瓤鞠滋交谂支魏复秘静鞠磁盘，允谗埝文被查露戢馁灏。本人授较垒 l 墨薹蕤盔堂耀默将学经论文装金帮或帮势浍文内容缓a 糍装数据瘴逡簿捻索，胃戳袋掰彩 印、缩印或招揽等复制簪段保存、汇编学位论文。 傈磷靛学毽论文雀躲密籍逶羯奉攫粳书 粒一始鳓 絮躺名2 洋 签字秘期：知辟年，弼瑶离签字强期：年月习 学位论文偻密攀娃岳去舞； 工终攀整： 通讯地址： 邀落： 自b 编 致谢 研究生阶段就要结束了，多年来，我学到了许多新的知识，使我开阔了思路、 增长了见识，这对我现在和今后的工作和学习给予了极大的帮助和指导。我的指 导老师吕新生副教授和张锡昌教授级高工知识渊博，思路敏捷，治学严谨，使我 受益斐浅，终生难忘。本论文，从选题、写作直到定稿都得到了导师吕新生副教 授和张锡昌教授级高工的关怀和教诲。在此，特向吕新生副教授和张锡昌教授级 高工表示崇高的敬意和衷心的感谢l 本论文在调研期间得到了原机械工业部、航空工业总公司、空军技术装配 部和国家民航总局等部门的有关领导和同志的大力支持，并得到洛阳轴承研究所 和空军第一研究所及各发动机制造与试验单位、发动机修理单位和飞机使用单 位、轴承制造与试验单位提供的大量详实的数据，才得以完成本项研究，在此向 他们表示衷心的感谢! 最后，对其他所有给予我支持和帮助的老师和同志以及评审本论文的各位专 家表示深深地感谢! 第一肇绪论 1 i 本论文的选题背景及豳的意义 1 1 。l 本论义的选题背景 随着航空发动机酶发展，发动机主轴轴承的使厢条件受加苛刻，航空发动 机擞轴轴承是航空发动机中的重要配套传乏一，它虼寿命帮可靠性是直接影响 发动祝寿命帮可靠激盼重要因素之一，如栗发动机童轴轴承发生故晦萁后浆不 堪设想。“八五”、“九五”期间航空发动机主轴轴承淹命和可靠性问题日益受到 重税。透过本课题静研究确定其可靠性指搽，建立w 靠经评估方法，为不断提 高航空发动机主轴轴承的可靠性建搬科学技术基础。该课题的研究对提高航空 发动祝捷焉豹安全缝，实瑷丽魏瑷健纯吴鸯霪要韵致治意义帮技术开发意义。 i 。i 。2 靛空笈蘩撬圭辘辘承瓣工痒特点 飞机要飞得更快、更高，就需要功率觉大的发动机。1 9 3 7 年涡轮喷气发动 莪懿瑟试车残功，凳溪我飞辍撵拱了强魏静麓力紊源。1 9 4 1 年荚莺嚣一槊滚轮 喷气发动机e - 2 8 3 9 试飞成功，开始了喷气飞行的新纪元。随着科技的进步， 涡轮嚷气发貔规豹髅鼹不叛褥嚣完簧。 涡轮喷气发动机由压缩机、燃烧嶷、涡轮机和推进喷嘴四个基本部分组成。 空气经题续糗压续，峦燃烧墅囔袈燃糍燃烧，产生蹇匿毫篷气薅，瑟蓐塞捺避 喷嘴高速喷射产生动力，并通过涡轮机和主轴将动力的一部分传递给压缩机。 根据压缭极秘演耱规夔数量，滚轮喷气发动援藏努秀擎辘式窝多皴式。攀 轴式涡轮喷气发动机只有一个压缩机和一个涡轮，涡轮和压缩机之间通过主轴 提连。单辘式溉轮喷气发动飒结掏篱擎，但空气更经涟一级爨蟪裁避入燃烧燮， 增压比低，效率不高。为提黼发动机效率，多轴式臌涡轮喷气发动机采用多个 压缩机分级臌缩，对应的由多个涡鞍通过多搬主辘分别提供动力。多个分级凝 置的涡轮机w 充分利堵从燃烧室喷出的不同藤力的燃气流，驱动不同转速的压 缩机，提供溺轮和压缩机的效率。进褥提供发动枫的整体性能。压缨枧襄涡轮 主轴淘使用滚动轴承宽承。通常在隧缩视端使用球轴承以确定主轴靛嚣，高温 涡轮机端使用圆柱滚子轴承便于吸收受热后囊轴轴国的热膨胀位移。这些部佼 静轴承统称为航空发动橇主辅轴承。 涡喷发动机使用轴承的系统主要肖两个：一是主轴系统，二是传动系统。 主辘辘承静z 作条件较传动部分轴承的工作条件恶劣得多，跚现的阉题也多， 因此本研究重点对喷气发动机主轴轴承开展工作。某典型双转子发动机主轴轴 承包括以下轴承：前轴承6 d 3 2 9 1 6 q t 2 、前中介轴承d 2 7 6 1 1 9 q 1 t 2 、中轴承两套 d 1 2 7 6 7 2 0 q l k l t l 、后轴承9 d l 0 0 2 9 2 6 n q l 、后中介轴承d 1 0 3 2 9 2 0 n k u 和辅助支点 轴承e 5 0 2 7 1 4 n q l 。 为了适应航空事业的发展，要求发动机的推力增大，耗油率下降，推重比提 高。这将给主轴轴承提出越来越高的要求，它要求主轴轴承能在高速、高温和 高载荷的苛刻条件下安全、可靠和长寿命地工作。 ( j ) 高d n 值 所谓d n 值是指轴承内径d ( i 衄) 和转速n ( r m i n ) 的乘积，由于发动机转速的 提高及主轴直径不断增大，轴承血值也相应的提高，d n 值每年以3 7 1 0 4 的速 度增加，目前实际使用的d 1 1 值已达2 3 1 0 6 ，要求达到3 5 1 0 6 。d 1 1 值的提 高将给轴承的工作造成许多不利影响。在球轴承中，如果d n 值超过1 5 1 0 6 时钢球将产生相当大的离心力压向外圈，因而会降低轴承的疲劳寿命。另外由 于离心力的作用，还将引起内外圈接触角的改变，形成内圈接触角增大而外圈接 触角减小，从而使钢球的自旋速度增加，此时将使球与沟道之间的滑动加剧，摩 擦热增加，接触温度升高将加速轴承的损坏过程。在滚子轴承中，由于高的d n 值 作用，除了引起摩擦副之间的摩擦加剧外，还由于惯性增大，润滑油的搅拌频繁 阻力剧增，将引起打滑现象。其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，严重时还会出现滚予在保持架兜孔中9 0 度打横，造成轴承 的完全损坏。 ( 2 ) 高温 由于高的d t l 值和高的涡轮进口温度和增压比以及高的飞机飞行速度，从而 促使轴承处在较高的温度下工作。二十世纪8 0 年代涡轮轴承运转温度已达3 0 0 以上，目前s k f 正在设计的大功率燃气涡轮主轴轴承，转速超过3 0 0 0 0 r p m ， 温度高达6 5 0 - ；c 以上。轴承工作温度的提高，无疑将会给轴承本身带来许多不利 的影响。 轴承工作温度的提高，将对制造轴承用的材料提出新的要求，因为在高温下 材料的硬度要降低，一旦硬度下降，材料的摩擦系数会增大，摩擦热增多，承载 能力下降，将降低轴承的疲劳寿命。 由于高温，对于轴承的润滑也提出了较高的要求，如果仍采用常规的润滑方 式，显然是不适应的。否则由于润滑不充分，将出现严重的摩擦和温度急骤上升， 甚至抱轴烧毁现象。 在航空发动机中，由于主轴轴承的工作温度变化范围大，所以对轴承内部的 2 游隙、保持袈与内嬲域外圈萼l 导耍阗的闻隙、保持絮与滚动体之闻豹闯隙，装严 格加以控制，否刚会由于温度的交化，将发擞轴承的卡死现象，从而造成轴承的 损坏。 综上所逑，要解决轴承躲在高温下的工作问题，除了要猩制造轴承的材料及 润滑剂方面下功夫外，还需鼹在轴承的结构设计及发动机的设计中予以充分考 虑。 ( 3 ) 载穗 作用在航空发动祝主轴轴承上的载荷，按其作搿力的方向，可潋分为轴向载 荷及径向载葡两种，按载荷性质分，可分为熏力载荷、转予响应载荷、预载赫、 推力载荷帮梳动载葡等五种。载荷辩轴承工作往舷躺影响，虽然不象速度_ 和温 度那样突出，但它也是影响轴承能磷正常工作的一个重要因素。 重力载旖就是辘承所承受翁转予、盘、许片豹熬萤。转予响簸荷邵怒由 于这些转动带、部件在转动过程中所产生的不平衡力的结果，而加在轴承上的 径辩载萄。溪载蘅燕荛7 给承受夺鹃攉力载耨或径翔载荷辩的高速球辘承或滚 子轴承，保i 正有一个袋小的接触载荷，而另外预先施加的载荷，从而避免该类轴 承农运转蓬疆孛窭臻懿轻载打浮现象。疆上瓢说熬三耱载瑟琴管缀小，毽翔采处 理不当，就会给该类轴承的磁常工作带来极大的危害。 握力载簿罄荛锋惩在转予主气耱力瓣赣蠢舍力，该力豢终将戳接力载耨静 形式作用在轴承上，该轴向力将随飞机的运行情况而增减，为了减轻轴承上的躐 蓑，毅照要采取搓薤，使转子瓣辘舞力苓至予遗大，鬣又不麓遗夺，否掰会零| 惹滚 动体打滑，造成轴承过早损坏。 祝动载凝是飞戡在终撬淤飞孬露，圭陀炼力矩产爱戆一糖径悫载楚，该羧蔫 的大小与转遴和轴的惯量有关。 接力载獠及机动载蔫熬大小，对熬承戆疲劳寿念会产生较大鲶影嚼。 ( 4 ) 高可靠性 发动机主轴轴承在如越恶劣戆条件下工终，瑟现窍置家攀恁椽疆 g j b 2 6 9 a 一2 0 0 0 要求，轴承成1 0 0 嘟薄怒使用寿命( 尽管在理论上是不可能的) 。 并且蒙求轴承即使在润滑系绫发生故障，一发停止供油的馕援下，缎能继续运 转段时间。因为发瀚祝主轴轴承是发动机的关键件之一，一照轴承出现故障， 对高速运转的发动机和正在赢空飞行的飞机均会产生极其严麓的曩粟。 除诧戬矫，航空发动祝对轴承还有其它一些要求，如：轴承应在一5 6 时能 正常扁动，轴承体积小重量辍，一套轴承要熊承受径向和轴向两静载穗，轴承 应施够谣节辅与壳体之间的鬣线性等簿。 3 黪劣懿王嚣条 串窳援甏的可靠豫篾求，对辘承熬没计黎秘造提出了投为严 格驹鬻求。轴承设计和制造水平的提商，除了借鉴发达图家的经验外，通过自 身不凝戆慧结经验教键，蘧遗对失效瓣承翁分辑磺突，戳实现轻承瀵爨拳平褪 可靠性的不断提高。 1 1 3 轴承w 靠性与轴承疲势寿命 如翦所述，靛空发动枧对主辘辍承懿要求除了赞刻鳆王孺条搏铃，最难搀 疆帮羟翩静憝对轴承极高静w 靠性蒙求。遮淑是本瓒研究将强进行的主要工作 之一。 般情獭，可靠娅是指产晶在给宓条件和给定时间内完成规定动钷的靛力。 产晶的可靠性分为固肖可靠性和使用可靠性。固有可靠性是农产品的生产过援 审嚣经建立靛霹靠搜，它专豺糕、设计、翻造、直到产品完成酶每个骱段都商 密切的关系。使用可靠性是产品在运输、保管和使用过程中，由于燮环境、操 终获淼释缨护等因素懿影翡蔼产生魏霹靠链阏蘧。轴承寿命静可靠寝是一缀在 同一条件下避转的，：i 艟于相同的滚动轴承所期耀达到缄超过规定寿命的匿分攀。 攀个滚羲鞍承麓露蓑嶷隽该辘承这爨躐超过栽定寿命虢穰率。 轴承的疲劳寿命舔指轴承在运转过程中，内、外圈的任一滚道或锫一滚动体 上曹次窭臻疲劳嚣落嚣篱蕙转数，残缭定转速下鹁工终枣对数。赣承豁设诗鞭 疲势辫命为设计准则。轴承的额定寿命系指批相同的轴承在相同的条件下运 转辩，其孛9 晒豹鞠承琴发生疲莠褒落蕊慧转数羲绘宠转速祭搏下瓣工终孛辩 数。轴承的基本额定搿命不小于发动机的总滞命。轴承的使用寿命系指轴承保 掩燕常谴焉链憩嚣羔佟薅阕，辘承豹使霆寿鑫不枣子发费撬羽善爨黧。然嚣焱 于航空发动机主轴轴承使用的复杂性和高可撒性，疲游不是判断轴承失效的唯 一嚣擦。 辫命和w 靠性是两个密切相关的概念。可靠性是产品在淹命期内可靠工作 缒赛簸；嚣绘定豹琰期寿翕鄹是在一定懿可拣性懿搓下。 i 1 。4 可靠娃常魇掺标 可靠往描标是衡藏产品w 靠性酌定量化尺度，也是描绘产品可靠性特征的 参数。可靠性豁昧是一秘绣谤挫指标，一般应耀壤率统诗寿法瓣以分掇寝译馈。 w 靠度：产品在溉定前对问内和规定的祭件下，完成规窳功能的概率。一 般为露分数裳暴。 + 爵靠寿命；裰据w 靠度黼数，对予给定韵可靠度，可求褥产品的工作时间， 4 这个避阗黪为可靠寿鑫。援撼零零终中豢雳黪是可靠发鸯0 9 竣0 ；8 瓣可靠寿念， 称为b l o 或b 2 0 寿命。 教障率( 或失效率) ：憨王终裂t 眩刻驰产品，程黠刻t 震单位瓣闻悫发生 故障的概率。 平均寿念：平均寿命椽卷着产鼹乎均王搀对阕凌多长，是重要熬露靠瞧掺 标，因为它能较直观地反映产品的可靠性水平，而凰便于产品之间的可靠 生水 平的比较，灏戳应用非常广泛，对予不可修复的产熬，平均寿命就是平均寿终 时间，指从轩始使用起，直副发生故障之前的无故障工作时问的平均值；对于 可修复的产熙，平均寿命指的是一次故障发生后至4 下一次故障发生之兹无故障 工律时间静平均值。 1 1 5 航空发动视燕轴轴承的失效的危害及失效预防的意义 轴承的失效指由于某种原因，而促使该零部件的原有性黼或精度( 尺寸糖度 或靛转精度) 丧失，跌丽使该簿舔俘已无法完成其在弧主机上所承担豹任务藓于， 此时就称该释部件b 失效。轴承失效一般可分为止转失效和淡精失效骶种，止转 失效是轴承鞠失去工作毹力嚣终止转动，镶辩卡死、辑裂等：灌精失效是困凡何 尺寸变化，而失去了原设计要求的回转精度，臌尚能继续转动，但属非正常转动。 缓如辘零静鬻擐、锈链等。 航空发动机是飞机的最关键部件乏一，其性能和可靠性赢接影响着飞机的 牲镱器飞器安全。发魂凝主辘骧承又是发魂凝最蓑镰零俘之一，圭辍辘承不组 在性能方面制约着发动机的性能，而且在可靠性和寿命方面赢接影响发动机的 霹靠渡纛寿愈。困我发魂凝囊轴辘承失效对发动辊静正常运转褒飞褥安全稳会 产生严重的影响。 飞瓿在飞行蓬糕巾，麴爨发动裁_ 耋赣辘黎发垒效漳其嚣浆是不壤设葱垂鼋。 为此需要采取各种有效措施，以防止可能导致严重后果的突发事故和意外损坏。 处予不羁工凝下麴皴承，其攒爨形式邀不尽稷弱。戈其是发麓秘圭辍辘晕经鬻 出现的一些早期损坏，其原因更是多方面的。失效分析就是找出引起轴承早期 擐餐躲内在粒终在爨素，进藤提出籁决接遮。全嚣系统豹嚣矮舷空发旗瓿主凝 轴承的失效分析研究工作，预防轴承的意外必效，提高轴承、发动机和飞机的 可靠性，无疑对保谨飞枧安垒具有嚣常重要黪意义。 1 。2 国内外研究现状； 5 筏蓬靛窝发动蕊圭辘辍蕊寿裔较谯、霹鼗整羧蓑，与王簸菱达鬻塞掇毙蒺 距较大。以往的失效分析工作多限于对事故的分析，丽大辍的由于菜些原因造 残的晕絮失效，妻予静静爨避麓骧裁，寒送嚣垒嚣蓉缓憝缭谤势豢。渡卡年采， 我瀚对失效分析工彳乍也极为黧视，并取得了不少成缋，对嬷事故的处理，也 是扶失效分瓣善手，还或变了摇寝黪撬搀量掺这方瑟蝰工佟。1 9 8 6 年袋变了 全辫失效分析中心，拜在全筒各地成立失效分析刚，空军嗣航空部门成立了飞 行事故襄失效癸爨孛心，在赣关襄校嚣设7 失效努掰课程。寝靛空熟悉方霆， 竞箕瀣航空激葫祝奎轴籀承方面，土级领导和科研誊产人员为提高产品质鬣和 可嚣性骰了大量有蠢憋工佟，在皴承熬缕梭浚诗、塞产秘傻耀等方巍积累了丈 量麓经验帮赘耨，葵定了较好豹麓永基础。 一般邋耀轴承熬失效分糖和霹嚣性分擞蠢不少凝究残舞l 寐文教搬递，蠢些 爱避见手年瓣发震、耱涯、渗歪，融经为鬻舔标准张组织和溺家稀凇所采纳。 但是，由于般通熙轴承可爨性要墩摆对较低，使用串轴承攥坏造成鲍按失鼗 危骜稷霹较孛，嚣魏瓣予薄掰嘉馁象释下嚣洚鑫嚣算稀失藏预防臻究较乡。 国外，尤其是嫂工业发达国家，如：燕国、麓国、德隧、日本、俄罗烬 等辩嶷羧奔瓣工露嚣嚣重褪，搔灭了夫垂蓊入力、弱力簌事袋效分稀理论及方 法等方面的研究工作，它们建立了嫂专门从事失散拎析的机构或公弼，宥憋 囊较涟嚣凌了裳羧分褥谋，魏密葬献豢失蔑努褥翡专秘天才。黄嚣空军、澈举 航空艇、陆攀航空必* 加拿大空军均成立了负责事故调查和分析的机构，飞枫 蘩逡公霉囊豁翥受黉溪囊努辫终繇飞嚣事鼗辩安全豁。霉瞽藩羚在这篷壤装佟 了大擞的分析研究工作，但魁可能出于战略溅经济上的原因，有关航空轴承必 装分糖方囊斡黉糕箨攘遵褥镶爹。 可靠性试验技术在般邋用轴承的应用商近3 0 零的历史，可嚣性技术在 蘩蠡露襄裴垮凌孛煞藤瘸臻巍毽毒瓣2 0 军懿黠零，嚣嚣蒙漩接零京魏空专鼷 轴承上的应用和研究汗展较少。 海了不鞭疆毫撬瓷产燕懿矮量壤零，鬟矮金夔羹褪霹靠装，旋1 9 8 6 霉怒， 原机椭电子z 业部开始分批附部分机电产品擞布限潮达到w 靠性指标的产晶 涛攀，褒定露靠注露必产最爨一瑗曩蘩撵掭滋嚣考菝，蓑黢麓考攘罩辘这标熬 产晶作为可拣性不合格处理，企业须为此进行整顿改避。同时，颁布了“机呶 产品避靠性撵标考棱黪毽办法，爨臻了考菝颈瑟翡孛攘，考羧矮葱瓣零棱，考 核络莱上报、猃较警耧序和错级祝构职责，以及考核工作和产品评优、企业上 等缀簿其链蛰理工缘之阉煞美蓉。对撬逛产瀑避嚣霹辍蛙浆纛瓷谈是挺进佥滚 热强珂靠往工作前一颗重要措施，目附是发聪现有产晶的可嚣性问题，加以改 6 进提高，摸清水平，积累数据，为开展新产品、改型产品的可靠性设计，建立 可靠性数据库创造条件。1 9 9 3 年，军用轴承首次歹| j 入“限期达到可靠往指标 的产品清单”，这对军工轴承行业的可靠性管理和可靠性技术的发展起到了一 定的键遗作用。1 9 9 5 年，原机械工韭部攀工司下发了“在祝褫军工新产品研 制中贯彻武器装备可靠性维修性管理规定的实施办法。该“实施办法”要 求所有矾械军工新产箍的蕊潮单位海应按会露要求，编毒l 耩实施“可靠往维修 性大纲”。这一措施为军工新产品的可靠性研究工作打开了突破口，为今厢可 靠往菝术躺发震打下了一定的基蕊， 工业发达国家对可靠性技术研究与应用已有近5 0 年的历史，他们首先在 军枣工鲎辩震霹纛缝技术掰究与盛嗣，后聚逐渐扩震翔氏孀工整串。可靠淫技 术在航空发动机主轴轴承上研究与应用肯定有一套成熟的实践经验和理论，但 是蠢关瓣技术资糖壤遘甚少。 3 本论文鞭窕戆塞要内容： 建立一套靛窒发动橇主辘皴承瑶懿数据收袋俸系发数据鲶爨系统 有关航空发动机主轴轴承失效情况和w 靠性方面的信息涉及众彩部门和工 厂。为了保援数据瓣完整魏、可靠性窝及黠性，必绥建立了一拿嚣家性的踌行 业、跨部门、跨单位的数搬收集体系。 为了慰航空发动枧主辘辘承豹失效情凝襄可纛性进霉垒覆深入戆研究，善 先必须收集太量的有关数攒和失效件，尤其是轴承现场使用情况的数据，并对 这魃数据进褥翘范他处理，使其具燕哥比挫。然后根据数攒鲢类型秘楣互关系， 设计并建立相应的数据库体系，将这些数撅以计算机可识剐的形式储存起来， 以便日后利用各种数据工舆以及计爨枫和计算机有关软件，对这些数据进行分 析处理，褥出有关辎承失效情况和w 靠性方面的有用结论，为迸一步提高鞭承 的w 靠性_ 和寿命提供依据。 2 ) 广泛收集轴承失效件，研究我国航空发动机主轴轴承失效模式及其机 理，提出预防早期失效，提高轴承可靠性的措旌 主轴轴承由于遮转状况较复杂，箕精度酾影响阂素缀多，且备影响因素在 不断的变化和相互平扰，因此每一轴承的失效可能涉及到个或几个失效形式。 各静轴承豹工作条佟帮失效原因不阁，困瓣产生静失效模式和形貌特征也备不 相同。为了提高轴承的寿命和可靠能，必须研究弄清轴承备失效模式的失效帆 毽。 7 ( 3 ) 收集大量的轴承现场帮试验数据，磷究数据特点及数据处爨方法，势怼 数据进行统计分析，从而摸清航发主轴承现有的可靠性水平；研究探索主轴轴 承麓念分蠢规律及参数评馈方法。 航空发动机主轴轴承现场数据属于不究全寿命试验中的不规则截尾试验情 况。对此不自& 采用照兹通用的规则截尾( 定时截慰和定数裁尾) 计舞公式求进 行处理，必须研究一种科学实用的方法来对其进行处理。猩此基础上，研究探 索主轴轴承寿命分布规律及参数评估方法。 秘) 研究小子样、无失效数据的特点，建立航空凝动机主轴轴承可靠性试验 及评估方法。 航空发韵税主辍轴承由于造价离，试骏费用昂贵，试毅允许抽取的样晶数 量很少( 如3 件、5 件等) ，试验时间进行到给定寿命的1 5 2 5 侬甚至更长， 仍考乏失效。研究这样熬，j 、子样、无袋效数稻的统计分析方法，从而对轴承豹可 靠性寿命特征做出评估，这一点对提高轴承寿命和可靠性魑非常重要的。 秘霹靛空发秘辊圭辘毒i l | 承逶舒露靠缝验证往试验荠对其进行谱估帮分析， 并对可靠性试验抽样方案进行研究。 8 第二章数据的收集及数据收集体系 2 1 数据收集体系的建立 轴承的失效分析和可靠性研究的依据是数据，数据一般包括：飞机检修数据、 发动机试车数据和轴承试验数据等等。以往虽然有相应的数据记录，但都分散在 各个制造厂、修理厂、研究所等单位，没有形成统一的和一致的数据收集体系， 数据的分类方法和判定依据也不一致，因此，对数据的利用程度非常有限，大多 数仅仅是纪录各查，很少进行统计分析和更深入的研究。 为了对航空发动机主轴轴承的失效情况和可靠性进行全面深入的研究，首先 必须收集大量的有关数据和失效件，尤其是轴承现场使用情况的数据，并对这些 数据进行规范化处理，使其具有可比性。然后根据数据的类型和相互关系，设计 并建立相应的数据库体系，将这些数据以计算机可识别的形式储存起来，以便日 后利用各种数据工具以及计算机和计算机有关软件，对这些数据进行分析处理， 得出有关轴承失效情况和可靠性方面的有用结论，为进一步提高轴承的可靠性和 寿命提供依据。 有关航空发动机主轴轴承失效情况和可靠性方面的信息涉及众多部门和工 厂，主要包括轴承制造与试验单位、发动机制造与试验单位、发动机修理单位、 飞机使用单位，以及国家经贸委、航空工业供销总公司、空军技术装备部、海军 工程部、国家民航总局等国家有关部委。为了保证数据的完整性、可靠性和及时 性，由国家经贸委军工办牵头，联合航空工业供销总公司等，建立了一个国家性 的跨行业、跨部门、跨单位的数据收集体系。 该体系主要包括管理层、数据处理中心、核心信息网员单位和外围零星信息 来源四个部分。如表2 1 所示。 管理层由五个国家部委的主管机构组成，主要由国家经贸委军工办负责总体 的组织协调，由航空工业供销总公司技术质量司、空军技术装备部工厂管理部、 海军工程部工厂管理部、国家民航总局航材处共同参与其中的指挥调度工作。 数据处理中心由洛阳轴承研究所和空军第一研究所承担，主要负责有关技术 信息的收集汇总、整理分类和分析研究工作。 核心信息网员单位由1 8 家与航空发动机主轴轴承关系密切的轴承设计与制造 单位、发动机设计与生产单位、发动机修理单位和飞机使用单位组成，主要由这 些单位的质量保证部门负责收集整理本单位的检修记录、试验记录等各种发动机 轴承失效信息的原始记录，按标准格式填写统计报表，按时或随时向数据处理中 心和主管部委相应机构报送。 9 外围零星信息来源是指其他的飞机使用单位、发动机检修单位、发动机及其 轴承试验单位、飞机故障调查机构、国外发动机及其轴承失效研究机构等等。主 要由数据处理中心根据管理层的指示和从核心信息网员单位得到的有关情况报 告，主动到有关单位和机构调查收集有关发动机主轴轴承失效信息。 管理层核心信息网员单位数据处理中心外围零星信息 国家机械工业局轴承1 厂 轴承2 厂 轴承3 厂 轴承4 厂 航空工业供销航空l 厂核心信息 总公司航空2 厂网员单位以外 航空3 厂的其它飞机使 航空4 厂用单位、发动机 航空5 厂洛阳轴承研究所检修单位、发动 航空l 所空军第一研究所机及其轴承试 航空2 所验单位、飞机故 航空3 所障调查机构、国 空军技术装备部空军l 厂外发动机及其 空军2 厂轴承失效研究 空军所机构等等 海军工程部海军厂 国家民航总局民航1 厂 民航1 厂 2 2 原始记录的标准化处理 虽然各单位记录发动机主轴轴承状况的原始记录的内容大同小异，但表格形 式和表述则不完全一致。此外轴承试验、发动机试车、事故调查等记录，与一般 发动机检修的目的和用途不同，记录格式差距就更大。为了便于计算机统计汇总， 必须对记录轴承使用状况的记录登记表进行标准化。通过对各种记录项的调查分 析，同时考虑失效分析和可靠性研究的需要，将原始记录录入计算的格式标准化 为2 2 表格。 1 0 表2 2 发动机主轴轴承使用情况登记表 编号：发动机型号修理日期 轴承代号装机位生产厂组合号 轴承工时累计工时停运原因任务号 发动机号飞行时数飞行总时修理厂 轴承分析测试及处理结果 分析内圈外圈滚动体保持架 检查径向间隙轴向间隙直径差材质 结论失效原因 统计归类 更换新轴承的有关参数登记 新组合号新径向间隙新轴向间隙 新径差 设计寿命轴承生产厂出厂日期 备注 2 3 数据处理程序及模块结构 首先是“航空发动机主轴轴承现场数据处理系统”主模块( 如图2 1 ) 。这是 系统的入1 ：3 和标准操作的出口。主要是系统的主界面、主菜单和其他子模块的调 用程序。 数据库维护模块的主要功能是进行有关数据库操作，包括建立数据库、修改 数据库、浏览数据库和数据库备份。其中“修改数据库”模块为“数据库维护” 和“数据录入”两个模块的公用子模块。 数据录入模块主要用于录入数据，并进行校对和修改。该部分并不复杂，主 要是界面设计。好的操作界面可以提高数据录入的效率，并尽可能减少差错。 数据计算模块是程序系统的主体。包括对各种失效类型进行频数统计和百分 比计算，以及分四种假设分布( 正态分布、对数正态分布、指数分布和威布尔分 布) 进行可靠度计算、分布参数估计和分布检验，其中可靠度的计算用三种现场 数据处理方法( 残存比率法、平均故障法、累积故障法) 分别进行。 结果输出模块包括查询检索和报表输出两部分，重点是查询检索条件的交互 式输入界面设计和实现，以及统计图形( 直方图) 的显示和打印输出。 毒毒 匡墼麴量圉 上上 上 毒0 圆圈 上上 匿圃匦 毒 匾查麴圃 上 图2 1 航象发动税圭辖辘蕊现场数据楚理系统模块结构图 2 毒对嚣络数据鹃统计分耩 嗣麓靛空发魏橇主籀辘承嚣甥数撵处理系统，对巢黧号巯空发餮税主轴轴 承原始修理记录的故障情况进行了统计分析，结果见表2 3 。 袭2 3航空发动机主轴轴承故障情况统计表 萎机位 翦轴承前中分轴承中轴承n l 统计归；藿数量百分魄失效张数量百分眈失效磁数量百分诧失效眈 1到寿更换1 2 2 45 2 0 6 31 6 2 06 8 9 0 73 41 4 4 6 2摩攘瘗援 3 91 6 5 91 3 唾尊5l i0 4 6 84 8 2 56 22 。6 3 7 1 6 。0 2 1 3 锈蚀锈斑 1 0 04 2 5 43 4 6 0 25 82 4 6 72 5 4 3 96 52 7 6 51 6 7 9 6 4打滑蹭伤3 51 4 8 91 2 1 1 11 70 7 2 37 4 5 64 11 7 4 4l o 5 9 4 5翔嫠压城9 84 1 6 83 3 9 1 02 00 。8 5 18 7 7 21 3 25 6 1 53 4 1 0 9 6 游隙组藏 50 2 1 31 7 3 02 00 8 5 18 7 7 210 0 4 30 2 5 8 7疲劳剽辫9袋3 8 33 。1 1 4l0 。0 4 30 。4 3 970 。2 9 8l 。8 0 9 8保持架坏20 0 8 50 5 9 27 l3 0 2 03 1 1 4 0l0 0 4 30 2 5 8 9 受热涨犬 00o20 0 8 5o 8 7 7ooo 1 0安装疆熬00o90 3 8 33 9 4 70oo 1 l其它原因l0 0 4 30 3 4 61 90 8 0 58 3 3 37 83 3 1 82 0 1 5 5 1 2 正常可用 8 3 83 5 。6 4 45 0 32 1 3 9 51 9 3 08 2 。0 9 3 合计2 3 5 1 1 0 01 2 2 9 32 3 5 1t 0 0 9 6 9 82 3 5 11 0 01 6 4 6 t 装机位中轴承n 2后轴承后中介 统计泰数量百分比失效比数量酚比失效比数量百分比失效比 1到寿更换3 01 2 7 66 2 6 2 6 6 2 76 4 i 2 7 2 6 5 2摩擦磨损4 41 8 7 2l i 2 8 21 3 65 7 8 52 1 0 2 08 43 5 7 31 2 9 2 3 3 锈蚀锈斑 7 93 3 6 02 0 2 5 65 82 4 6 78 9 6 41 0 64 5 0 91 6 3 0 8 4打滑蹭伤1 2o 5 1 03 0 7 72 5 51 0 8 4 63 9 4 1 32 2 49 0 5 2 83 4 4 6 2 5 划伤压坑 1 6 97 1 8 84 3 3 3 39 54 0 4 11 4 6 8 37 02 9 7 71 0 7 6 9 6 游隙组差 10 0 4 30 2 5 61 90 8 0 8 2 9 3 77 23 0 6 31 1 0 7 7 7 疲劳剥落 o0o10 0 4 3o 1 5 53 0 1 2 7 64 6 1 5 8 保持架坏 oo0oo03 0 1 2 80 4 6 2 9 受热涨大 o0o2 0 0 8 50 3 0 960 2 5 50 9 2 3 1 0 安装调整 o0o7 43 1 4 8 1 1 4 3 72 71 1 4 84 1 5 4 1 1其它原因8 53 6 1 5 2 i 7 9 570 2 9 8i 0 8 22 8l _ 1 9 1 4 3 0 8 1 2 正常可用 1 9 3 18 2 1 3 51 0 7 84 5 8 5 3 1 0 6 04 5 0 8 7 合计 2 3 5 1i 0 01 6 5 8 9 2 3 5 11 0 02 7 5 2 02 3 6 i i 0 02 7 6 4 8 从统计结果可以看出： 1 航空发动机主轴轴承到寿更换和正常可用的占大多数，而早期失效的只占 少数( 1 8 3 6 8 ) 。统计数据中所涉及到的早期失效轴承，全部是由于发动机己经 到达返修期后，返厂进行检修时判定为失效的。也就是说，没有发现台发动机 是因为轴承发生故障而提前返厂进行检修的事例。 2 统计结果表明主轴轴承的损坏主要以打滑蹭伤、划伤压坑、锈蚀锈斑、摩 擦磨损为主，其次是游隙变化、滚动体组差大、安装调整不当、保持架损坏、偏 磨、疲劳剥落等。总体来说以丧失可靠性失效为主，丧失精度为辅，止转失效为 零。 3 处于高温区的轴承( 后中介和后轴承) ，尺寸稳定性较差是一个较突出的问 题。随着热处理工艺的改进和更换材料，后中介轴承虽然与过去相比有了明显改 进，但是轴承仍有进一步改进的必要。 第三肇轴承主要失效模式及其形成机理 3 1 轴承主要失效模式及其机理 轴承在工彳乍中，涎失萁瓣定的功镜，导致敬障或不能正常工作豹溉象称为失 效。轴承失效一般可分为止转失效和丧精失效两种，止转失效足轴承因失去工作 麓力褥终壹转动，镶船卡死、獗裘等；丧耩失效是毽凡餐只寸变琵，两失去了原 设计隳求的精度，虽尚能继续转动，但属非正常转动，例如轴承的磨损、锈蚀等。 对予簸空发麓梳主辜鸯辘承两蠢，辘承失效大多数渍嚣下是捂辅承不弱海命丙密现 非正常磨损或缺陷。遮时轴承虽然能够运转，并且满足设计逡转精度的要求，但 继续傻焉鸯一定瓣惫验，霹靠缝漫鸯绦漳。箧簸靛空发动撬主辘轴承翡失效形式， 除了止转失效和丧精失效之外，主要是丧失可靠性失效。 扶绫诗分辑结暴露以番爨，靛空发动援主鞋辘琢瓣圭要失效影袋是摩擦蘑 损，而不像普通轴承以疲劳剥落为主。疲劳剥落往往伴随着严重的髓精失效，甚 至止转失效，嚣摩攘耀撰一般不会史转，赣波丧失瞧缀毒隈。但是摩擦瘗损、努 滑蹭伤等缺陷，将严熏影响轴承的可靠性，继续使用危险性很大，因此必须更换。 圭喜l l 轴承蠢予运转状提较复杂，蔡糖度黪澎响爨素摄多，量各影赡嚣素农不 断的变化和棚互干扰，因此每一轴承的失效可能涉及副一个绒几个失效形式。各 秘轴承的工作条传移失效原鞭不同，因恧产懋的失效模式帮澎貔特疑也鑫不耀 同。通过对轴承原始修理记泶和所收鼹的轴承失效件的统计分析，按轴承的失效 枧理，将航空发动机走轴轴承蛉失效主要分为疲劳剥游、磨损、裂纹、塑性交形、 腐蚀和游隙变化等六种模式，具体表现为以下十五种形式，疲劳剥落：( 1 ) 疲势剥 落；磨损：( 2 ) 划伤、擦伤，( 3 ) 磨损，( 4 ) 轻载打滑，( 5 ) 镝磨、载簿孰迹下移( 爬坡) ， ( 6 ) 两极磨损，( 7 ) 振纹；裂纹：( 8 ) 裂纹；塑性交形：( 9 ) 蕊坑、撞伤，q 母保持架变形， q d 保持架镀艨脱落；腐蚀：o 蛰锈蚀，电流侵蚀，受热变色；游隙变化；n 9 尺 寸胀大或缩小。下瑟时十五种失效形式的失效枫理避行分析。 【i 】疲势弱落 在交变接触应力的作用下，产生的材料疲劳现象，不仅起因于表面下最大切 癍力缝， | ；萎魄发生予表嚣上。 产生予表面下的疲劳剥落 农交变成力熬终耀下，最大餐痤宠发生程大缝离褒瑟渫发豹0 2 m m 楚，瞽先 从材料的最薄弱点形成第一条微小裂纹开始，又在交变应力的反复作用下，裂纹 不瑟扩大蒡壤篷，最袋导致金羯熬裂蘩。 起源于表面上的疲劳剥落现象产生原因，有如下两种情况： a 由于原材料在冶炼及轴承零件的锻造、冲压、热处理、冷加工等过程中， 残留在表面的非金属夹杂物、粗大颗粒碳化物、微孔、皱纹、压坑、表面变质层 等因素。在轴承运转过程中，由于受接触应力的作用，引起它们脱离母体或由于塑 性变形而引起微孔的聚集扩大后形成的剥落。 b 零件在机械加工过程中，工作表面形成的凹凸不平造成。在相互接触的两 个滚动面上，由于存在凹凸不平现象，如果轴承工作时又不能满足e h l 润滑条 件，而是处在边界润滑状态，此时两个表面轮廓峰相互作用，使那些微小的凹凸 不平的部分产生塑性变形和疲劳。这种现象继续下去，就会形成大量的微小裂纹， 随后裂纹又扩张并连结起来，就能形成深度可达到un l 级的微小剥落，从而造成 表面损伤。这种损伤进一步扩展，就会使微小裂纹增值而覆盖在滚道表面上，形 成所谓的麻点，这些麻点再进一步扩大并连接就出现表面的疲劳剥落。实践证 明，对于那些高速航空发动机主轴轴承来说，疲劳剥落现象多数情况下是出现于 表面上的剥落。 2 划伤、擦伤 轴承零件的工作区刻划出具有一定深度、宽度、长度的沟槽称为划伤或刮伤。 如果在滚动接触表面间，落入外来小颗粒杂质或润滑油膜局部破坏时，加之两表 面间存在有滑动现象，从而使轴承零件工作表面出现一组较为细小的划伤，通常 将这组细小划伤称为擦伤。 由于润滑油过滤不净，存在有被磨损下来的金属颗粒，或者在安装过程中一 些杂质的混入，这些金属颗粒尺寸可能会大于最小油膜厚度，又由于接触面间 存在滑动现象，此时存在于两接触表面间的硬质微小颗粒，将会划伤工作表面。此 外，在安装过程中，由于轴承零件与其它带尖角部位的硬性物接触，而使轴承零件 的工作区造成划伤或擦伤。 3 1 磨损 处在l 笛界润滑状态下，两个相互接触的物体存在相对运动时，将会产生表面 损伤，这种现象称为磨损。在较高应力作用下，或者在缺油状态下工作，两摩擦物 体之间将产生大量的摩擦热，这种热有时足以使接触区的局部达到熔化状态，从 而使这些区域出现瞬时的焊合，随之又会被撕裂，其后果是引起接触面的金属间 的迁移，把这种磨损称为粘附磨损。而粘附磨损通常属于一种较为严重的磨损。 有时，由于一些外来