01-×型发动机空中停车故障分析(肖剑).doc

第二十四届（2008）全国直升机年会论文型发动机空中停车故障分析肖剑1 彭秀云2 何丹3 韩雅慧4（1 总参陆航部军事代表局，北京，100050；2 总参陆航部驻株洲地区军代室，株洲，340000；3 总参陆航部标准计量办公室，北京，100068；4 陆军航空兵学院，北京，101123）摘 要：针对一起型发动机发生的空中停车故障，对比分析了同类型号发动机工作条件，通过发动机返厂分解检查和质量复查，对故障件进行了冶金分析和失效分析，发现了故障部位、确定了故障产生的原因，给出了该空中停车故障结论，提出了问题解决的初步方案。1 概述1.1故障现象年月日，型直升机在野外训练时，直升机突然下沉，旋翼转速音频告警，右发动机空中停车，飞行员操纵直升机立即着陆。着陆后检查右发动机舱冒烟并有火苗，机组立即关车进行灭火。经检查发现，该直升机右发号发动机压气机卡滞，燃气发生器后轴承通气管断裂、进油管接头松动，三只热电偶松动，燃气发生器后轴承回油路上的磁性屑末检测信号器（又称“带指示器磁性堵头”或“磁堵”，在总回油路上和后轴承回油路上各有1个）上有大量的金属屑，高能点火器、起动电磁活门、电嘴和超应急电缆导线外皮烧焦。至故障发生时止，发动机已工作291h58min、253.69次循环。1.2 外场工作情况故障前5天在直升机飞行时，磁性屑末检测信号器曾出现金属告警信号灯闪亮，飞行结束时正常着陆。故障发生前1天，地面检查发现后轴承回油路带指示器磁性堵头上有微量光泽金属屑（总回油路上带指示器磁性堵头干净），将后轴承回油路带指示器磁性堵头上的金属屑清除干净后，地面验证开车30min，该磁堵未报警。之前，由于该磁堵工作可靠性低（表现为检测头松动、误报警等）曾更换了3只。年月日，该型直升机从山头起飞过程中，直升机离地瞬间，突然听到“嘭”的一声（此前直升机各项参数正常），直升机突然下沉，飞行员操纵直升机立即着陆。从听到声音到关车着陆大约12min时间，现场观察，发动机外部有两处着火，一是后轴承通气管断裂处，二是起动供油电磁活门处的电缆。1.3 后轴承、磁堵基本功能轴承用于支承发动机转动部件，球轴承可承受径向载荷和轴向载荷，滚子轴承则只承受径向载荷。燃气发生器转子为三支点支承，其中，燃气发生器后轴承通过鼠笼式弹性支座安装于轴承座上，并能减小转子振动，燃气发生器后轴承在发动机上的安装位置如图1所示。燃气发生器转子由压气机转子和燃气发生器涡轮转子组成，通过中间的拉紧螺拴把两者连接在一起，因此，燃气发生器后轴承失效会引起压气机转子卡滞而导致发动机停车。图1 燃气发生器在发动机上的位置带指示器的磁性堵头安装在回油路中，它可将金属屑吸附在堵头上，外场视情维护可通过检查磁性堵头上金属屑情况及早发现内部磨损故障情况。带指示器的磁性堵头在发动机上的安装位置和基本结构、原理图如图2、3所示。图2 磁堵在发动机上的位置图3 磁堵结构和原理示意图当一定量的金属屑把两级间空隙搭接连通时，报警电路应接通，报警灯亮。2 燃气发生器后轴承工作条件分析燃气发生器后轴承时改型发动机转速最高的轴承，只承受径向力，不承受轴向力，工作温度为1400C，靠与其配合安装的鼠笼式弹性支座上的喷嘴润滑。该型发动机国产型号主要有A/D型、F型，与国外ARRIEL 1C1型和ARRIEL 1M1型发动机类同，空中停车故障件为F型。目前装于各型发动机上的燃气发生器后轴承均为按A型发动机设计要求的技术状态。装于A/D型和F型发动机上的燃气涡轮发生器工作条件对比如表1所示。表1 工作条件对比项目A/D型（ARRIEL 1C1型）F型（ARRIEL 1M1型）起飞功率（kW）526570最大连续功率（kW）437496最大转速（r/min）5221552370燃气涡轮出口温度（0C）810850径向载荷相同润滑条件相同装配技术要求相同对比分析装于F型和A/D型发动机燃气发生器工作条件：（1）燃气发生器后轴承转速高155r/min，最大连续功率高59kW，不足以改变轴承工作条件；（2）虽然燃气涡轮出口温度高400C，但在滑油正常冷却条件下，对后轴承腔环境温度无影响；（3）工作径向载荷、润滑条件及装配技术要求完全相同。根据法方资料和实物，法产ARRIEL 1C1型和ARRIEL 1M1型燃气发生器后轴承装用的也是同一图号的轴承。统计国产轴承装于F型发动机在外场工作400800h共81台工作情况，其中7台发动机已达800h首翻期，分解检查燃气发生器后轴承工作正常。因此，可以认为F型发动机和A/D型发动机的燃气发生器后轴承工作条件基本相同。3 故障检查情况3.1 发动机返厂分解检查故障出现后，发动机返厂进行分解检查，发现：（1）燃气发生器后轴承（批次号）失效，如图4所示。（2）后轴承回油路上带指示器磁性堵头和总回油路上的带指示器磁性堵头上有大量发亮的片状金属屑，如图5所示。（3）自由涡轮导向器三个支板、套筒安装孔处焊缝有裂纹，内环严重变形，如图6、7所示。 图4 后轴承外套圈、内套圈、保持架、滚子图5 带指示器磁性堵头上的金属屑内环严重变形焊缝处裂纹 图6 图7（4）后轴承座金属封严环三个焊点脱落，固定鼠笼式弹性支座的销钉折断，后轴承座内腔无滑油，如图8、9、10所示。封严环焊点脱落后轴承座内腔无滑油 图8 图9后轴承座内折断的销钉图103.2 带指示器磁性堵头检查情况带指示器磁性堵头进一步检查发现：后轴承回油路上带指示器磁性堵头在粘有大量金属屑的情况下未导通，检查并确认带指示器磁性堵头失效；总回油路上带指示器磁性堵头在粘有大量金属屑的情况下导通正常。后轴承回油路上带指示器磁性堵头返制造厂家检查，通电试验不合格，经分解检查，确认失效原因为磁堵插座中插针与搭铁片、插座机体间虚焊，致使在磁堵在粘有大量金属屑末情况下由于虚焊造成报警电路断路而未报警。3.3 后轴承分解检查情况轴承外观检查，整套轴承各部位均呈黑色，轴承磨损严重。轴承外套圈：滚子跑道存在多处粘着现象，粘附物为轴承基体材料（Cr4Mo4V），局部存在浅层的工作烧伤，未见磨损及剥落，如图11所示。轴承内套圈：滚子跑道约3/4圆周磨损成深沟状，磨损严重处出现二次淬火烧伤，磨损处有粘着现象，粘附物为轴承基体材料（Cr4Mo4V），另外1/4圆周未见明显的磨损及剥落，也未见烧伤，如图12所示。轴承滚子：轴承所有滚子与内套圈接触一侧磨平，磨平部位严重烧伤，与外套圈接触一侧局部擦平，如图13、14所示；磨平部位有明显的轴承材料粘着现象，未磨平部位存在鳞片状剥落现象并可见多处裂纹，如图15所示（电镜观察）。 图11 图12 图13 图14 图 15 滚子鳞片状剥落及裂纹4 冶金分析4.1 滑油光谱分析该型发动机为单元体结构，对该发动机M01单元体（附件及传动机构）、M05单元体（减速器）、滑油泵等三处收集到的滑油进行光谱分析，铁含量未超标。4.2 金属屑能谱分析能谱分析两处带指示器磁性堵头上粘附的发亮金属屑均为轴承基体材料（Cr4Mo4V），分解滑油泵收集到的金属碎屑为后轴承基体材料或镀银层碎屑。4.3 后轴承冶金分析故障后轴承经金相检查，外套圈：滚道未见明显磨损及剥落，局部滚道存在粘着现象，粘着厚度约60m。在粘着与未粘着面均有烧伤现象，有明显的二次淬火及回火烧伤，烧伤深度约30m。内套圈：滚道磨损严重，存在粘着现象，粘着厚度约为0.5mm，磨损严重处出现了二次淬火及回火烧伤，烧伤深度最深约0.7mm。未磨损区域未见明显的烧伤现象。滚子：磨平部位存在粘着现象。未磨平部位存在裂纹，裂纹深度约30m。腐蚀后观察滚子烧伤严重。此外，后轴承内、外圈经化学分析，滚子经能谱分析，成份结果均符合要求。轴承内、外圈端面硬度和滚子未烧伤区硬度均在要求范围内。后轴承非金属夹杂物合格。 5 后轴承故障原因分析故障出现后，国内某失效分析中心对事故故障件和同批次后轴承质量复查故障件分别进行了失效分析。5.1 事故损坏故障件失效分析5.1.1 失效性质后轴承内、外套圈的组织与硬度符合技术要求。断口微观观察发现，滚子表面有鳞片状剥落及未剥落小裂纹。通过金相组织检查发现，在滚子的未磨损区域发现小裂纹，裂纹有一定深度，且与表面成一定角度（小裂纹的深度和角度与滚子的材质和承受的应力状态有关），而由于滚子表面磨损严重，接触疲劳剥落特征不典型，这与断口观察结果相吻合，其具有接触疲劳的特点，因此，滚子表面为接触疲劳剥落和接触疲劳裂纹。由此可知，轴承的失效应与内、外套圈无关，应属滚子的接触疲劳剥落引起的。5.1.2 失效过程及失效原因滚子与内、外套圈工作面接触不连续，每次循环都相互接触的表面处，在交变正压力及摩擦力的作用下，接触疲劳裂纹萌生并扩展至剥落，形成薄片状金属屑，破坏了滚子表面的油膜，造成滚子表面的使用工况更加恶劣，导致磨损加剧，滚子接触面温度升高，滚动不能正常进行，甚至卡滞，在卡滞部位造成了轴承内、外套圈的严重磨损，形成凹坑，最终导致轴承失效。通过工作面的宏观观察可知，滚子工作面原始失效状态发生严重的磨损破坏，无法观察其工作面的微观形貌，无法判断表面剥落处是否存在划伤、加工刀痕等损伤以及非金属夹杂、冶金缺陷。通过金相组织检查发现，表面烧伤严重，对于失效前滚子的基体材料存在一定的影响，因而其组织与硬度是否符合技术要求无法判断。5.2 同批次质量复查故障件失效分析为进一步对该型号后轴承故障分析，抽查了装同批次后轴承的3台发动机和进口旧件对比检查分析。工作403h的其中1台同批次后轴承拆卸分解检查发现：该轴承滚子和外圈跑道出现了剥落。此外，对后轴承内、外圈及滚子尺寸进行了计量测试。5.2.1 失效性质后轴承内、外套圈的组织与硬度符合技术要求。断口宏、微观分析发现，质量复查故障后轴承滚子表面剥落坑及未剥落小裂纹，在较大的剥落坑可观察到疲劳弧线，且在较小的剥落坑附近存在较多的裂纹，且在其外圈也观察到了不同程度的剥落痕迹。因此，可以推断出该轴承的失效性质为表面接触疲劳剥落。由此可知，滚子表面损伤为接触疲劳剥落引起的，轴承的失效与内、外圈的材料无直接关系。5.2.2 失效可能原因分析对轴承的表面接触疲劳磨损可以从材质、润滑、尺寸、装配、工作等因素进行分析。通过对轴承内、外圈及滚子的金相组织和硬度的检测结果可知，可以排除轴承的材质原因。从滚子的表面检查和金相检查可知，滚子和内、外圈的表面组织未见过热、过烧组织，可见轴承的润滑情况良好。由于该轴承滚子的一端存在较严重的疲劳剥落，经计量检测可知，进口件与国产件的内、外圈及滚子的尺寸存在一定的差异，进口件外圈油槽形状与国产件不同，另外，轴承在工作过程中也可能存在一定的偏心。6 结论6.1 故障结论根据上述分析可知，型发动机空中停车故障的原因可以归结为：（1）发动机燃气发生器后轴承失效是导致发动机空中停车的直接原因，后轴承失效为滚子工作面首先产生接触疲劳剥落所造成。抽查外场返回的同批次轴承和库存新件，并与法产已工作2000h的轴承对比，存在的主要差异是：内圈滚道母线中间有明显内凹、滚子无明显凸度、内外圈滚道圆度与法产件相比偏大、外圈两端油沟的结构及尺寸与法产件有差异，以致轴承工作时，滚子两端接触应力过大，恶化了轴承工作条件，引起滚子不正常的早期磨损和接触疲劳剥落。（2）由于带指示器的磁性堵头搭铁片与壳体焊接面虚焊而无法接通报警电路、不能报警，未能及时监控到轴承的早期剥落，随着发动机继续工作，轴承加剧磨损，导致转子有一定的偏心，转、静子件碰磨，造