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TB飛機起落架機輪軸承失效的原因分析及維護

    B8913號TB20飛機在執(zhí)行本場起落訓(xùn)練過程中,飛行教員發(fā)現(xiàn)飛機著陸滑跑,起飛滑跑及起飛以后,飛機發(fā)生劇烈的抖動甚至于越來越劇烈,造成飛機滑跑困難。幾個起落以后,飛行教員果斷采取措施,退出飛行訓(xùn)練。經(jīng)機務(wù)人員檢查發(fā)現(xiàn):前機輪軸承由于高溫而熔化咬死,帶動輪軸旋轉(zhuǎn),輪軸與輪叉發(fā)生滑動干摩擦,產(chǎn)生的熱量將輪軸和輪叉部分熔化,產(chǎn)生巨大的變形,機輪組件幾乎從輪叉上脫落。由于飛行教員果斷的抉擇,才避免了一場安全事故的發(fā)生。由此可見,機輪軸承不僅用來支承機輪,引導(dǎo)機輪的旋轉(zhuǎn)方向,減小轉(zhuǎn)動過程中的摩擦,并承受機輪和輪軸之間的各種載荷。而且,軸承對飛機的工作性能、壽命、各項經(jīng)濟指標及可靠性都有很大影響,甚至在某些情況下也會造成飛行安全事故。

    一、軸承的基本結(jié)構(gòu)及受力分析

    TB飛機機輪軸承為鐵姆肯(Timken)公司生產(chǎn)的圓錐形軸承,它由四部分組成:內(nèi)滾道、外滾道、圓錐滾棒和保持架。正常情況下,內(nèi)滾道、外滾道和滾棒承受載荷,而保持架使?jié)L棒相互均勻地隔開,以免互相碰撞和摩擦,并使每個滾棒均勻和輪流地承受相等的載荷。內(nèi)滾道、滾棒和保持架合稱為滾道組件。通常它和外滾道是可分的(外滾道固定在可分解的輪轂上的),使安裝軸承比較方便。

    軸承采用低碳鋼,經(jīng)表面滲碳處理,它使軸承有適合的硬度,抗疲勞、忍性的綜合性能。正常使用情況下,軸承的最大溫度范圍在120-150℃,短時溫度可達175℃,最大周期接觸應(yīng)力在2100~3100MPa,而保持架通常用低碳鋼制成。

由于圓錐軸承的幾何特點及設(shè)計特點,它可以承受經(jīng)向和軸向的綜合載荷。外滾道與軸承中心線的夾角越大,能承受的軸向推力和經(jīng)向推力的比值越大,滾棒和滾道的接觸線越長,那么承受載荷的能力越強。飛機處于不同的工作狀態(tài),軸承的受力情況不同:

    1.飛機處于靜止狀態(tài),軸承主要承受靜止載荷。飛機的重力產(chǎn)生的停機載荷—P通過軸承的滾棒傳遞給外滾道,即輪轂。P可沿軸向分解為軸向力N和垂直于外滾道的力F。如圖所示,P所產(chǎn)生的對外滾道的壓力遠大于P在這個輪子上的分力,對滾道施加很大的壓強。

    2.飛機在地面滑行時,主要也承受垂直載荷。由于地面的不絕對平整,飛機的上下震動的幅度大于飛機的重力。

    3.著陸時,機輪接地的瞬間首先主要是受到巨大的靜止垂直沖擊載荷,繼而機輪以很高的加速度加速達到與飛機同樣的速度在地面滑跑。如果飛機產(chǎn)生了重著陸,軸承在未運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下承受這種沖擊載荷的危害是很大的。如果飛機帶側(cè)滑接地,如側(cè)風較大的時候,機輪還要受到較大的側(cè)向載荷,機輪受到側(cè)向摩擦力時,由于慣性作用,飛機有向一側(cè)傾斜的趨勢。因此作用在外側(cè)軸承上的垂直載荷和側(cè)向載荷要比內(nèi)側(cè)的大。

    二、軸承常見的故障模式

    l.滾動接觸疲勞

    滾動接觸疲勞所引起的失效,是指軸承在運轉(zhuǎn)期間由于交變應(yīng)力導(dǎo)致在接觸面上或接觸面的亞表面處形成的疲勞裂紋而造成失效。裂紋開始形成時,其表面損傷甚微或者看不出來,直到過程的最后階段,裂紋和剝落就表現(xiàn)得很明顯。

    軸承在承受載荷時,滾動體和滾道之間相互擠壓,在接觸部位臨近區(qū)域產(chǎn)生變形和應(yīng)力,由于接觸面很小,即使載荷不太大,接觸應(yīng)力也可能相當大。通常,滾動軸承內(nèi)的接觸應(yīng)力在2000—4000MPa之間。接觸應(yīng)力決定了軸承的靜承載能力,對軸承的靜承載能力主要有接觸面間的壓應(yīng)力分布,特別是剪切應(yīng)力分布的影響。若滾動體在接觸表面滾過,表面下平行于滾動方向的切應(yīng)力將按交變應(yīng)力變化。在某一深度其振幅達到最大值,稱其為最大動態(tài)切應(yīng)力。最大動態(tài)切應(yīng)力對接觸疲勞裂紋的發(fā)生和擴展起主要作用,而最大動態(tài)切應(yīng)力對接觸表面下的塑性變形起主要作用。當圓柱滾棒通過滾道表面時,對亞表面剪切應(yīng)力場的影響以圖解形式自右至左示于下圖。

    當滾棒從位置1滾到位置3的過程中,在位置2的應(yīng)力場自行反轉(zhuǎn),這種反轉(zhuǎn)正是促成軸承破壞的主要因素。由于剪切應(yīng)力從+τ2y變?yōu)椋?y,因而其最大剪切應(yīng)力τmax的最大絕對值成為|2τ2y|,此值遠校最大剪切應(yīng)力τmax大。

    將上述的切應(yīng)力理論應(yīng)用到滾動軸承上,軸承裝在輪軸上,內(nèi)圈幾乎是不動的,而外圈和輪轂一起以同樣高速的角速度旋轉(zhuǎn)。一般情況下,軸上的載荷方向是不變的,這樣內(nèi)圈上有一點的受力最大,該點上產(chǎn)生的切應(yīng)力τ0,在每一循環(huán)中(滾棒滾過此點)都比其它的點大,所以這點最早產(chǎn)生疲勞破壞。但對于轉(zhuǎn)動的外圈來說,承受切應(yīng)力最大值τ0的點是改變的,而且外圈的周長較大,因此它的接觸疲勞壽命要比內(nèi)圈長。相反,對于內(nèi)圈轉(zhuǎn)動,外圈固定的滾動軸承,外圈比內(nèi)圈的壽命短。

    通常,以下因素容易導(dǎo)致疲勞裂紋起源于“表面”:

    ①腐蝕斑點,操作刮痕,表面夾雜和表面壓痕能引起應(yīng)力集中并導(dǎo)致起源于表面的滾動接觸疲勞,裂紋;

    ②潤滑不良。通常引起較小的表面不連續(xù)性缺陷。例如剝落;

    ③油膜達不到臨界厚度形成軸承表面大面積的損傷。

    從理論上講,滾棒軸承的載荷在滾道和滾棒上的分布是均勻的。但片狀剝落先起源于滾道,而不是起源于滾棒,這對于軸承的檢查是很重要的。

    2.旋轉(zhuǎn)爬行

    旋轉(zhuǎn)爬行指的是壓配合內(nèi)套圈及與其配合的軸之間發(fā)生相對運動,這種失效也時有發(fā)生。旋轉(zhuǎn)爬行多發(fā)生于軸承的內(nèi)套圈,它使整個裝置的運轉(zhuǎn)類似于一個摩擦傳運裝置,使軸承內(nèi)套圈的內(nèi)壁和軸的表面產(chǎn)生嚴重的以刻痕為特征的擦傷現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)短小的徑向擦傷。它的原因在于:一方面裝配使內(nèi)套圈上軸松動,一方面使用中載荷不正;驀乐夭黄胶馑斐傻乃苄宰冃蔚慕Y(jié)果,還有可能是軸肩與軸的中心線不垂直。

    3.金屬粘著

    金屬粘著是指從兩個滑動接觸體的任一表面剝落下的物質(zhì)沉積或粘合在另一表面上,它是由于軸承接觸面出現(xiàn)嚴重的相對滑動而產(chǎn)生的。其特點為兩接觸面被焊合,這種失效局限于經(jīng)受劇烈滑動運動的接觸面上,常常是不斷加劇的。若任其發(fā)展,相繼而來的是兩個粘污面強烈摩擦產(chǎn)生的喪失熱平衡能力的失效。金屬因局部高溫變色,金屬的堆積更加嚴重。

    產(chǎn)生滑動的原因:一是潤滑油脂變質(zhì)或被污物及外來物質(zhì)污染而硬化的結(jié)果,致使?jié)L捧在保持架內(nèi)的轉(zhuǎn)動嚴重受阻。潤滑失效可能是保持架材料在滾道和滾動體上發(fā)生粘著損傷的主要原因。二是軸承內(nèi)的磨損已發(fā)展到足以使?jié)L棒歪斜或裝配過松,以致其轉(zhuǎn)動中心線不與軸中心平行時,滾棒的滑動及隨之而來的粘污也就會產(chǎn)生。粘著是滾棒端面和保持架凸緣間滑動接觸,以及它和滾道擋邊產(chǎn)生很大的端面沖擊載荷的結(jié)果。

    4.軸承的磨損失效

    盡管滾動軸承是基于滾動接觸原型而設(shè)計,摩擦影響很小,然而磨損引起的軸承失效卻不容忽視。它不僅導(dǎo)致運轉(zhuǎn)噪聲增大,而且使軸承運轉(zhuǎn)帶來其他問題,使軸承壽命縮短。

    造成軸承發(fā)生磨損失效的原因是潤滑條件不適合,或者在接觸區(qū)有污物,尖硬顆;蚋g性流體,或者在接觸面上存在高速度的滑動接觸。雜質(zhì)充當磨料的作用,在軸承表面磨下一些不用的鋼屑,因而更增加了研磨物質(zhì)。一些堅硬粗糙的顆粒劑壓于滾棒與滾道間,工作時會出現(xiàn)內(nèi)套圈在軸上轉(zhuǎn)動。水,酸及其他腐蝕液(包括潤滑劑變質(zhì)所形成的腐蝕劑)所產(chǎn)生的磨損失效,通常以紅褐色的覆蓋層及遍及滾道表面上的微小侵蝕坑為特點。機輪離地近,容易吸附各種雜質(zhì),所以磨損失效是很多的。

    5.變形失效

    軸承由于過載包括局部過載而使接觸面發(fā)生塑性屈服,稱為塑性變形失效;軸承的塑性變形對軸承工作狀況的主要影響實質(zhì)上是幾何變形。所以軸承尤其不能承受過載,沖擊載荷及振動(特別當軸承未運轉(zhuǎn)時)。如飛機在著陸過程中,過大的沖擊載荷所產(chǎn)生的一種永久變形,這類壓痕和凹陷在滾道上的分布必然與滾珠的分布有一定的對應(yīng)關(guān)系,在軸承的分解過程中是可以觀察到的現(xiàn)象。

    軟化則是在滾動軸承中另一種塑性變形現(xiàn)象。由于軸承內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大于放出的熱量,從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的熱平衡,工作溫度的升高,將會導(dǎo)致潤滑劑的變質(zhì)失效,軸承咬合以及鋼材的軟化,使疲勞壽命降低。構(gòu)件嚴重的熱軟損壞,有時可根據(jù)變色和顯著塑性變形的形貌加以辨認。

    三、加強對軸承的科學維護

    (a)貫徹預(yù)防為主的方針

    對軸承的維護,關(guān)鍵是要采取預(yù)防為主的方針。假如軸承在使用壽命期內(nèi)發(fā)生失效,務(wù)必要找出失效的原因,并且提出消除與控制這種失效的措施,做好預(yù)防工作。其次,在軸承的失效過程中,往往是一個組件失效后,或者一種失效模式發(fā)生后,軸承還在繼續(xù)非正常工作運轉(zhuǎn)并引發(fā)其他失效模式,使大量機件同時遭到破壞,在比較復(fù)雜的情況下容易引發(fā)更大的事故。所以,對每一種失效模式都要重視。一旦發(fā)現(xiàn)軸承的一種失效,要及時進行更換,以預(yù)防事故的發(fā)展。

    (b)利用科學的管理手段,制定最優(yōu)的維護方案

    維修管理是一個系統(tǒng)的工程,在這個過程中我們要貫策預(yù)防為主的方針和以可靠性為中心的維修思想。維修管理是一動態(tài)的過程,在這個過程中,要把我們的豐富的維修經(jīng)驗與維修理論相結(jié)合,上升到一個更高的層次,制定出最優(yōu)的維修方案。這樣才不僅使我們的每一架單機的維修質(zhì)量提高,而且有益于整個機群的維護質(zhì)量的提高。

    例如8913飛機前輪軸承的問題。由于機輪尺寸小,機輪軸承離地很近,在地面滑跑的過程中很容易吸附水氣,雜質(zhì)等物,再由于我院飛行計劃的特點,如進廠維修,寒暑假等,使得飛機停廠時間較長,潤滑脂更容易變硬,變質(zhì)。軸承在長期停止工作的過程中潤滑狀況較差,軸承的工作環(huán)境異常的惡劣。我院的飛機主要用于飛行教學訓(xùn)練,起落次數(shù)多,受沖擊載荷的頻率高,機場環(huán)境差。從對此飛機軸承的痕跡特征來分析,曾經(jīng)產(chǎn)生多種失效模式。每一種失效模式在其他軸承上都有過發(fā)生,只不過往往是以單一的形式發(fā)生,銹跡和紅褐色的物質(zhì)表明軸承過度磨損,產(chǎn)生Fe2O3微小顆粒,有疲勞剝落痕跡。由于磨損以后間隙較大,滾棒發(fā)生嚴重歪斜,產(chǎn)生滑動摩擦,產(chǎn)生大量的熱,并發(fā)生金屬轉(zhuǎn)移和粘著,外滾道上有滾棒分布一致的傾斜壓痕表明,軸承在滾棒傾斜以后承受了較大的沖擊載荷,發(fā)生塑性變形。根據(jù)這一情況制定了合理的維修方案。

    ①定時報廢潤滑脂,時間間隔為日歷時間半年

    這種方法,最低限度地保證了機群內(nèi)所有飛機輪軸的潤滑和清潔狀況良好,也同時對軸承的狀況進行檢查。實踐證明,這是很有效,成本最低的方法。

    ②加強飛機停放期間的維護保養(yǎng)工作。把停放期間對軸承的保養(yǎng)作為運轉(zhuǎn)飛機的一個重要項目。在運轉(zhuǎn)飛機時,拖動飛機,使軸承的潤滑狀況良好。

    ③對軸承定期制定了更全面的檢查項目,統(tǒng)一檢查的標準,一旦發(fā)現(xiàn)軸承失效,及時更換。

    重點對常見故障模式的檢查。飛機壽命已經(jīng)進入老年階段,疲勞失效變的很明顯,很容易地發(fā)現(xiàn)外滾道上出現(xiàn)了疲勞剝落。由前面的分析我們可知,外滾道的疲勞壽命比內(nèi)滾道大,如果外滾道也出現(xiàn)疲勞剝落,說明已經(jīng)完全達到了軸承的疲勞壽命,要及時更換軸承及輪轂。還例如,加強對外圈座的檢查。雖然它不屬于軸承,但是它與輪轂一體是由鋁合金制造,受潤滑脂氧化的酸性物質(zhì)影響,腐蝕比其他地方嚴重得多。由于受著陸,突然加速等沖擊載荷的作用,容易破裂,使軸承外滾道松脫,造成中心線失調(diào),對軸承工作的影響很大。再例如,由于飛行中起落頻率高,加強對變形失效的檢查也是一個重點,尤其飛機發(fā)生重著落以后。

    (c)實踐工作中的注意事項。

    實踐工作中除了要按維護工作單的內(nèi)容完成對軸承的檢查和維護以外,還有一些特別要注意的事項:

    ①對軸承在潤滑前要進行徹底的清潔,不要留下殘留物。由于軸承離地很近,軸承很容易有外來的雜質(zhì),還有磨損的產(chǎn)物及潤滑脂氧化的酸性物質(zhì),以及水分都必須要清除干凈。由于軸承在易揮發(fā)的溶劑中清洗后,水分會很快地凝結(jié)在表面,抹上油脂后很難揮發(fā)掉,而且導(dǎo)致對鋼的腐蝕,所以在潤滑前要吹除水分。

    ②防止污染物。軸承的檢查和維護要在潔凈的工作臺上進行,不要在地面進行,防止外界物質(zhì)進入。同時還要防止軸承經(jīng)受摔打。

    ③正確的潤滑。使用飛機廠家規(guī)定牌號和等級的潤滑脂,潤滑脂的量要占殼體空間的1/3—1/2。

    ④正確安裝軸承,不要強裝。安裝不要過緊,但也不要太松,以免軸向游隙過大。

    ⑤作好飛機的減震系統(tǒng)的維護,保證飛機有良好的減震性能。飛機在著陸,滑跑過程中都會受到?jīng)_擊載荷和振動。保證處于適合的減震工作條件是很重要的。

    ⑤正確的使用飛機,培養(yǎng)學生的安全意識,避免飛機重著落。

    總之,只要我們用認真的態(tài)度,科學的方法,對軸承故障進行分析,不斷提高維修技術(shù)和管理水平,能極大地保證我們飛行訓(xùn)練機群的質(zhì)量,確保飛行安全。

                                                                       作者:許云

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井兮精密軸承(上海)有限公司是一家專業(yè)從事軸承及工業(yè)機械備部件進出口的國際性貿(mào)易公司,在工業(yè)領(lǐng)域已有多年的軸承配套及工業(yè)服務(wù)經(jīng)驗,在新老客戶中有著良好的口碑。

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