TB飞机起落架机轮轴承失效的原因分析

HEATS · 发表于 2010-9-11 21:13:06

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　　某学院的B8913号TB20飞机在执行本场起落训练过程中，飞行教员发现飞机着陆滑跑，起飞滑跑及起飞以后，飞机发生剧烈的抖动甚至于越来越剧烈，造成飞机滑跑困难。几个起落以后，飞行教员果断采取措施，退出飞行训练。经机务人员检查发现：前机轮轴承由于高温而熔化咬死，带动轮轴旋转，轮轴与轮叉发生滑动干摩擦，产生的热量将轮轴和轮叉部分熔化，产生巨大的变形，机轮组件几乎从轮叉上脱落。由于飞行教员果断的抉择，才避免了一场安全事故的发生。由此可见，机轮轴承不仅用来支承机轮，引导机轮的旋转方向，减小转动过程中的摩擦，并承受机轮和轮轴之间的各种载荷。而且，轴承对飞机的工作性能、寿命、各项经济指标及可靠性都有很大影响，甚至在某些情况下也会造成飞行安全事故。

　　一、轴承的基本结构及受力分析

　　TB飞机机轮轴承为铁姆肯(Timken)公司生产的圆锥形轴承，它由四部分组成：内滚道、外滚道、圆锥滚棒和保持架。正常情况下，内滚道、外滚道和滚棒承受载荷，而保持架使滚棒相互均匀地隔开，以免互相碰撞和摩擦，并使每个滚棒均匀和轮流地承受相等的载荷。内滚道、滚棒和保持架合称为滚道组件。通常它和外滚道是可分的(外滚道固定在可分解的轮毂上的)，使安装轴承比较方便。

　　轴承采用低碳钢，经表面渗碳处理，它使轴承有适合的硬度，抗疲劳、忍性的综合性能。正常使用情况下，轴承的最大温度范围在120-150℃，短时温度可达175℃，最大周期接触应力在2100～3100MPa，而保持架通常用低碳钢制成。

　　由于圆锥轴承的几何特点及设计特点，它可以承受经向和轴向的综合载荷。外滚道与轴承中心线的夹角越大，能承受的轴向推力和经向推力的比值越大，滚棒和滚道的接触线越长，那么承受载荷的能力越强。飞机处于不同的工作状态，轴承的受力情况不同：

　　1.飞机处于静止状态，轴承主要承受静止载荷。飞机的重力产生的停机载荷—P通过轴承的滚棒传递给外滚道，即轮毂。P可沿轴向分解为轴向力N和垂直于外滚道的力F。如图所示，P所产生的对外滚道的压力远大于P在这个轮子上的分力，对滚道施加很大的压强。

　　2.飞机在地面滑行时，主要也承受垂直载荷。由于地面的不绝对平整，飞机的上下震动的幅度大于飞机的重力。

　　3.着陆时，机轮接地的瞬间首先主要是受到巨大的静止垂直冲击载荷，继而机轮以很高的加速度加速达到与飞机同样的速度在地面滑跑。如果飞机产生了重着陆，轴承在未运转的状态下承受这种冲击载荷的危害是很大的。如果飞机带侧滑接地，如侧风较大的时候，机轮还要受到较大的侧向载荷，机轮受到侧向摩擦力时，由于惯性作用，飞机有向一侧倾斜的趋势。因此作用在外侧轴承上的垂直载荷和侧向载荷要比内侧的大。

　　二、轴承常见的故障模式

　　l.滚动接触疲劳

　　滚动接触疲劳所引起的失效，是指轴承在运转期间由于交变应力导致在接触面上或接触面的亚表面处形成的疲劳裂纹而造成失效。裂纹开始形成时，其表面损伤甚微或者看不出来，直到过程的最后阶段，裂纹和剥落就表现得很明显。

　　轴承在承受载荷时，滚动体和滚道之间相互挤压，在接触部位临近区域产生变形和应力，由于接触面很小，即使载荷不太大，接触应力也可能相当大。通常，滚动轴承内的接触应力在2000—4000MPa之间。接触应力决定了轴承的静承载能力，对轴承的静承载能力主要有接触面间的压应力分布，特别是剪切应力分布的影响。若滚动体在接触表面滚过，表面下平行于滚动方向的切应力将按交变应力变化。在某一深度其振幅达到最大值，称其为最大动态切应力。最大动态切应力对接触疲劳裂纹的发生和扩展起主要作用，而最大动态切应力对接触表面下的塑性变形起主要作用。当圆柱滚棒通过滚道表面时，对亚表面剪切应力场的影响以图解形式自右至左示于下图。

　　当滚棒从位置1滚到位置3的过程中，在位置2的应力场自行反转，这种反转正是促成轴承破坏的主要因素。由于剪切应力从＋τ2y变为-τ2y，因而其最大剪切应力τmax的最大绝对值成为|2τ2y|，此值远校最大剪切应力τmax大。

　　将上述的切应力理论应用到滚动轴承上，轴承装在轮轴上，内圈几乎是不动的，而外圈和轮毂一起以同样高速的角速度旋转。一般情况下，轴上的载荷方向是不变的，这样内圈上有一点的受力最大，该点上产生的切应力τ0，在每一循环中(滚棒滚过此点)都比其它的点大，所以这点最早产生疲劳破坏。但对于转动的外圈来说，承受切应力最大值τ0的点是改变的，而且外圈的周长较大，因此它的接触疲劳寿命要比内圈长。相反，对于内圈转动，外圈固定的滚动轴承，外圈比内圈的寿命短。

　　通常，以下因素容易导致疲劳裂纹起源于“表面”：

　　①腐蚀斑点，操作刮痕，表面夹杂和表面压痕能引起应力集中并导致起源于表面的滚动接触疲劳，裂纹；

　　②润滑不良。通常引起较小的表面不连续性缺陷。例如剥落；

　　③油膜达不到临界厚度形成轴承表面大面积的损伤。

　　从理论上讲，滚棒轴承的载荷在滚道和滚棒上的分布是均匀的。但片状剥落先起源于滚道，而不是起源于滚棒，这对于轴承的检查是很重要的。

　　2.旋转爬行

　　旋转爬行指的是压配合内套圈及与其配合的轴之间发生相对运动，这种失效也时有发生。旋转爬行多发生于轴承的内套圈，它使整个装置的运转类似于一个摩擦传运装置，使轴承内套圈的内壁和轴的表面产生严重的以刻痕为特征的擦伤现象，甚至出现短小的径向擦伤。它的原因在于：一方面装配使内套圈上轴松动，一方面使用中载荷不正常或严重不平衡所造成的塑性变形的结果，还有可能是轴肩与轴的中心线不垂直。

　　3.金属粘着

　　金属粘着是指从两个滑动接触体的任一表面剥落下的物质沉积或粘合在另一表面上，它是由于轴承接触面出现严重的相对滑动而产生的。其特点为两接触面被焊合，这种失效局限于经受剧烈滑动运动的接触面上，常常是不断加剧的。若任其发展，相继而来的是两个粘污面强烈摩擦产生的丧失热平衡能力的失效。金属因局部高温变色，金属的堆积更加严重。

　　产生滑动的原因：一是润滑油脂变质或被污物及外来物质污染而硬化的结果，致使滚捧在保持架内的转动严重受阻。

　　润滑失效可能是保持架材料在滚道和滚动体上发生粘着损伤的主要原因。二是轴承内的磨损已发展到足以使滚棒歪斜或装配过松，以致其转动中心线不与轴中心平行时，滚棒的滑动及随之而来的粘污也就会产生。粘着是滚棒端面和保持架凸缘间滑动接触，以及它和滚道挡边产生很大的端面冲击载荷的结果。

　　4.轴承的磨损失效

　　尽管滚动轴承是基于滚动接触原型而设计，摩擦影响很小，然而磨损引起的轴承失效却不容忽视。它不仅导致运转噪声增大，而且使轴承运转带来其他问题，使轴承寿命缩短。

　　造成轴承发生磨损失效的原因是润滑条件不适合，或者在接触区有污物，尖硬颗粒或腐蚀性流体，或者在接触面上存在高速度的滑动接触。杂质充当磨料的作用，在轴承表面磨下一些不用的钢屑，因而更增加了研磨物质。一些坚硬粗糙的颗粒剂压于滚棒与滚道间，工作时会出现内套圈在轴上转动。水，酸及其他腐蚀液(包括润滑剂变质所形成的腐蚀剂)所产生的磨损失效，通常以红褐色的覆盖层及遍及滚道表面上的微小侵蚀坑为特点。机轮离地近，容易吸附各种杂质，所以磨损失效是很多的。

　　5.变形失效

　　轴承由于过载包括局部过载而使接触面发生塑性屈服，称为塑性变形失效；轴承的塑性变形对轴承工作状况的主要影响实质上是几何变形。所以轴承尤其不能承受过载，冲击载荷及振动(特别当轴承未运转时)。如飞机在着陆过程中，过大的冲击载荷所产生的一种永久变形，这类压痕和凹陷在滚道上的分布必然与滚珠的分布有一定的对应关系，在轴承的分解过程中是可以观察到的现象。

　　软化则是在滚动轴承中另一种塑性变形现象。由于轴承内部产生的热量大于放出的热量，从而导致不稳定的热平衡，工作温度的升高，将会导致润滑剂的变质失效，轴承咬合以及钢材的软化，使疲劳寿命降低。构件严重的热软损坏，有时可根据变色和显著塑性变形的形貌加以辨认。

　　三、加强对轴承的科学维护

　　(a)贯彻预防为主的方针

　　对轴承的维护，关键是要采取预防为主的方针。假如轴承在使用寿命期内发生失效，务必要找出失效的原因，并且提出消除与控制这种失效的措施，做好预防工作。其次，在轴承的失效过程中，往往是一个组件失效后，或者一种失效模式发生后，轴承还在继续非正常工作运转并引发其他失效模式，使大量机件同时遭到破坏，在比较复杂的情况下容易引发更大的事故。所以，对每一种失效模式都要重视。一旦发现轴承的一种失效，要及时进行更换，以预防事故的发展。

　　(b)利用科学的管理手段，制定最优的维护方案

　　维修管理是一个系统的工程，在这个过程中我们要贯策预防为主的方针和以可靠性为中心的维修思想。维修管理是一动态的过程，在这个过程中，要把我们的丰富的维修经验与维修理论相结合，上升到一个更高的层次，制定出最优的维修方案。这样才不仅使我们的每一架单机的维修质量提高，而且有益于整个机群的维护质量的提高。

　　例如8913飞机前轮轴承的问题。由于机轮尺寸小，机轮轴承离地很近，在地面滑跑的过程中很容易吸附水气，杂质等物，再由于我院飞行计划的特点，如进厂维修，寒暑假等，使得飞机停厂时间较长，润滑脂更容易变硬，变质。

　　轴承在长期停止工作的过程中润滑状况较差，轴承的工作环境异常的恶劣。我院的飞机主要用于飞行教学训练，起落次数多，受冲击载荷的频率高，机场环境差。从对此飞机轴承的痕迹特征来分析，曾经产生多种失效模式。每一种失效模式在其他轴承上都有过发生，只不过往往是以单一的形式发生，锈迹和红褐色的物质表明轴承过度磨损，产生Fe2O3微小颗粒，有疲劳剥落痕迹。由于磨损以后间隙较大，滚棒发生严重歪斜，产生滑动摩擦，产生大量的热，并发生金属转移和粘着，外滚道上有滚棒分布一致的倾斜压痕表明，轴承在滚棒倾斜以后承受了较大的冲击载荷，发生塑性变形。根据这一情况制定了合理的维修方案。

　　①定时报废润滑脂，时间间隔为日历时间半年

　　这种方法，最低限度地保证了机群内所有飞机轮轴的润滑和清洁状况良好，也同时对轴承的状况进行检查。实践证明，这是很有效，成本最低的方法。

　　②加强飞机停放期间的维护保养工作。把停放期间对轴承的保养作为运转飞机的一个重要项目。在运转飞机时，拖动飞机，使轴承的润滑状况良好。

　　③对轴承定期制定了更全面的检查项目，统一检查的标准，一旦发现轴承失效，及时更换。

　　重点对常见故障模式的检查。飞机寿命已经进入老年阶段，疲劳失效变的很明显，很容易地发现外滚道上出现了疲劳剥落。由前面的分析我们可知，外滚道的疲劳寿命比内滚道大，如果外滚道也出现疲劳剥落，说明已经完全达到了轴承的疲劳寿命，要及时更换轴承及轮毂。还例如，加强对外圈座的检查。虽然它不属于轴承，但是它与轮毂一体是由铝合金制造，受润滑脂氧化的酸性物质影响，腐蚀比其他地方严重得多。由于受着陆，突然加速等冲击载荷的作用，容易破裂，使轴承外滚道松脱，造成中心线失调，对轴承工作的影响很大。再例如，由于飞行中起落频率高，加强对变形失效的检查也是一个重点，尤其飞机发生重着落以后。

　　(c)实践工作中的注意事项。

　　实践工作中除了要按维护工作单的内容完成对轴承的检查和维护以外，还有一些特别要注意的事项：

　　①对轴承在润滑前要进行彻底的清洁，不要留下残留物。由于轴承离地很近，轴承很容易有外来的杂质，还有磨损的产物及润滑脂氧化的酸性物质，以及水分都必须要清除干净。由于轴承在易挥发的溶剂中清洗后，水分会很快地凝结在表面，抹上油脂后很难挥发掉，而且导致对钢的腐蚀，所以在润滑前要吹除水分。

　　②防止污染物。轴承的检查和维护要在洁净的工作台上进行，不要在地面进行，防止外界物质进入。同时还要防止轴承经受摔打。

　　③正确的润滑。使用飞机厂家规定牌号和等级的润滑脂，润滑脂的量要占壳体空间的1／3—1／2。

　　④正确安装轴承，不要强装。安装不要过紧，但也不要太松，以免轴向游隙过大。

　　⑤作好飞机的减震系统的维护，保证飞机有良好的减震性能。飞机在着陆，滑跑过程中都会受到冲击载荷和振动。保证处于适合的减震工作条件是很重要的。

　　⑤正确的使用飞机，培养学生的安全意识，避免飞机重着落。

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