胡 悅，常 莉，王 輝，陳國鵬，鄧 波，齊林林

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司134廠，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

高轉(zhuǎn)速風機最重要的核心部件是葉輪軸承系統(tǒng)。葉輪軸承系統(tǒng)的安全性以及可靠性是保證高轉(zhuǎn)速風機穩(wěn)定運行的重要條件，對高轉(zhuǎn)速風機的性能及振動使用工況等產(chǎn)生直接的影響。

某型直升機在一次飛行任務結(jié)束準備降落時，主減滑油溫度出現(xiàn)異常。機務人員拆下高轉(zhuǎn)速風機1后發(fā)現(xiàn)風機傳動軸從保險截面處斷裂(如圖1)，葉輪側(cè)軸承保持架嚴重損毀，軸承保持架、外圈滾道均出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖2)，花鍵側(cè)軸承滾動體損壞嚴重，軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)明顯的干磨現(xiàn)象(如圖3)。

圖1 高轉(zhuǎn)速風機故障情況

圖2 風機葉輪側(cè)軸承低倍圖

圖3 風機花鍵側(cè)軸承低倍圖

1 故障分析

高轉(zhuǎn)速風機主要由蝸殼、罩殼、葉輪、葉輪擋套、傳動軸、軸承系統(tǒng)等組成，其中軸承系統(tǒng)包括軸承、軸承殼體、軸承壓蓋甲、軸承壓蓋乙、軸承擋套甲、軸承擋套乙等零件。風機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高轉(zhuǎn)速風機結(jié)構(gòu)圖

對于風機軸承系統(tǒng)失效故障，經(jīng)設計所分析得出結(jié)論如下：軸承防塵蓋為疲勞斷裂，疲勞斷裂的原因是軸承在損壞失效后，內(nèi)部保持架、滾動體等刮蹭磨損防塵蓋，造成防塵蓋嚴重磨損、斷裂。可見，風機故障的發(fā)生過程為軸承防塵蓋出現(xiàn)裂紋導致潤滑脂流失，造成軸承干磨運轉(zhuǎn)失效，軸承失效后風機葉輪與風機罩殼發(fā)生刮蹭、劇烈磨損，在葉輪扭轉(zhuǎn)力矩大于剪切斷面的設計最大扭矩后，傳動軸從剪切斷面處過載扭斷，以保護主減。

根據(jù)風機軸承失效故障原因初步分析，建立故障樹，如圖5所示。

圖5 軸承系統(tǒng)失效故障樹

軸承生產(chǎn)配套廠家鐵姆肯公司對提供的軸承要求不得破壞軸承包裝，只能檢查配套資料完整性和軸承外觀，軸承入廠檢驗項目缺少，導致過程質(zhì)量無法有效控制。

風機兩軸承一端為固定端(花鍵側(cè)軸承)，一端為浮動端(葉輪側(cè)軸承)。固定端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套甲、軸承擋套乙)予以約束；外圈由定子零件(軸承壓蓋甲、軸承殼體)予以約束。浮動端軸承內(nèi)圈由轉(zhuǎn)子零件(軸承擋套乙、葉輪擋套)予以約束；外圈僅在軸承殼體上予以徑向約束，外圈可活動，如圖6所示。在風機高速長時間運轉(zhuǎn)過程中，隨著軸向力的變化及產(chǎn)品振動的影響，軸承內(nèi)圈金屬臺階與防塵蓋存在頻繁碰撞接觸的情況，導致防塵蓋內(nèi)圈附近出現(xiàn)裂紋，軸承潤滑脂密封提前失效。

圖6 風機軸承軸向定位結(jié)構(gòu)

根據(jù)風機分解檢查結(jié)果，分析造成該套高轉(zhuǎn)速風機軸承失效的原因為：①軸承制造、質(zhì)量復驗問題；②軸承軸向定位問題。即底事件X2、X3無法排除，其他事件均能排除。

1.1 軸承制造、質(zhì)量復驗問題

軸承為精密部件，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制復雜，具有較高的精度要求。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)過程中需采用多種專用工具對零部件進行檢測，主要包括材料組織、硬度、表面完整性、尺寸精度、旋轉(zhuǎn)精度、游隙、溫升、振動、漏脂試驗等。各項檢測指標均對軸承性能和壽命有較大的影響：一旦超標，輕則軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，造成溫升和振動增大，減少軸承使用壽命；重則軸承運轉(zhuǎn)卡滯，致使軸承過早失效，無法使用。

1.2 軸承軸向定位問題

軸承的防塵蓋易出現(xiàn)裂紋的部位位于軸承內(nèi)圈臺階處，且防塵蓋在與內(nèi)圈接觸部位無金屬骨架。高轉(zhuǎn)速風機可簡化為兩軸承支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，風機受力方向主要朝向葉輪側(cè)。在機上振動與環(huán)境交變的綜合作用力下，軸承內(nèi)圈與防塵蓋動密封配合處與金屬臺階頻繁接觸碰撞，導致防塵蓋在金屬骨架結(jié)合處出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，軸承無法實現(xiàn)潤滑脂的密封。隨著潤滑脂的加速流失，軸承最終干磨運轉(zhuǎn)失效。

2 解決措施

通過對故障件的分解檢查及原因分析，認為導致此次故障的原因是：軸承定位問題。同時在排查過程中發(fā)現(xiàn)，軸承入廠復驗項目較少且無法反映軸承質(zhì)量，需補充完善軸承復驗項目。

2.1 軸承定位問題改進

為提高軸承運轉(zhuǎn)的可靠性，改良軸承運轉(zhuǎn)環(huán)境，對高轉(zhuǎn)速風機軸承殼體、軸承壓蓋乙進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便為浮動端軸承提供預緊緩沖，改進主要為：

1)軸向增加波形彈簧，安裝于葉輪側(cè)軸承一側(cè)，起軸承預緊和減振緩沖的作用。波形彈簧相當于緩沖阻尼，有利于軸承軸向穩(wěn)定，避免軸向往復劇烈運動，保證軸承運轉(zhuǎn)的可靠性。

2)徑向增加減振膠圈，安裝在軸承殼體表面，作用于軸承殼體和蝸殼安裝面之間，起減振的作用。軸承殼體為葉輪的支撐零件，主要與軸承外圈配合。在風機的實際使用過程中，直升機上振動環(huán)境致使風機蝸殼、軸承殼體等攜帶一定的附加振動，進而通過軸承殼體影響葉輪。增加徑向的減振膠圈，可以減緩外界對風機軸系的影響，保證葉輪的正常運轉(zhuǎn)。改進后內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 高轉(zhuǎn)速風機內(nèi)部改進結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 補充完善軸承復驗項目

經(jīng)與軸承廠家溝通，增加軸承復驗項目：

1)由鐵姆肯公司提供軸承軸向、徑向游隙數(shù)據(jù)測量記錄，軸承加脂量測量記錄，軸承內(nèi)外圈硬度批次檢測記錄；

2)采用下廠驗收的方式，風機生產(chǎn)單位進行包裝前檢查并復驗軸承關鍵尺寸(如軸承內(nèi)外圈尺寸、寬度尺寸、軸承游隙等)。

2.3 驗證情況

為了驗證改進方案的有效性，對改進結(jié)構(gòu)的高轉(zhuǎn)速風機進行性能試驗，同步監(jiān)測溫度和振動情況。

2.3.1 試驗情況

經(jīng)試驗監(jiān)測高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)與改進結(jié)構(gòu)的溫度及振動情況：高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)花鍵側(cè)軸承外圈溫度對比情況見圖8；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)葉輪側(cè)軸承外圈溫度對比情況見圖9；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)徑向振動量值對比情況見圖10；高轉(zhuǎn)速風機現(xiàn)結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)軸向振動量值對比情況見圖11。

圖8 高轉(zhuǎn)速風機花鍵側(cè)軸承外圈溫度

圖9 高轉(zhuǎn)速風機葉輪側(cè)軸承外圈溫度

圖10 高轉(zhuǎn)速風機徑向振動量值

圖11 高轉(zhuǎn)速風機軸向振動量值

2.3.2 試驗分析

根據(jù)試驗獲取的溫度和振動數(shù)據(jù)，分析認為改進方案有明顯的改善效果。

1)高轉(zhuǎn)速風機工作的軸承溫度有明顯的降低，表明軸承在工作過程中實際的受力情況有所降低,且浮動端軸承的軸向竄動摩擦產(chǎn)熱被部分抑制。溫度的降低有利于軸承的長時間工作。根據(jù)壽命理論計算值，高轉(zhuǎn)速風機改進結(jié)構(gòu)與現(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，壽命增加約31%。

2)高轉(zhuǎn)速風機改進結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在振動監(jiān)測中，徑向振動差異不大，軸向振動上有明顯改善。軸向振動量值的降低，表明波形彈簧有減振緩沖作用，能夠減緩浮動端軸承的軸向竄動，減輕軸承內(nèi)圈對軸承防塵蓋的作用，利于軸承正常運轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

綜上所述，高轉(zhuǎn)速風機改進方案通過在浮動端軸承軸向增加波形彈簧進行預緊及減振緩沖，徑向增加減振膠圈，可解決防塵蓋破損、軸承干磨失效的問題。改進措施驗證試驗內(nèi)容完整充分，對其它高轉(zhuǎn)速風機減振分析與改進也有借鑒意義。