TB飛機起落架機輪軸承失效的原因分析及保護B8913號TB20飛機在執行本場起落訓練過程中，飛行教員發現飛機著陸滑跑，起飛滑跑及起飛以后，飛機發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，飛行教員果斷摘取措施，退出飛行訓練。經機務人員檢查發現：前機輪軸承由于高溫而熔化咬死，帶動輪軸旋轉，輪軸與輪叉發生滑動干摩擦，產生的熱量將輪軸和輪叉局部熔化，產生巨大的變形，機輪組件幾乎從輪叉上脫落。由于飛行教員果斷的抉擇，才防止了一場平安事故的發生。由此可見，機輪軸承不僅用來支承機輪，引導機輪的旋轉方向，減小轉動過程中的摩擦，并承擔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平安事故。一、軸承的根本結構及受力分析TB飛機機輪軸承為鐵姆肯(Timken)公司生產的圓錐形軸承，它由四局部組成：內滾道、外滾道、圓錐滾棒和保持架。正常情況下，內滾道、外滾道和滾棒承擔載荷，而保持架使滾棒相互均勻地隔開，以免互相碰撞和摩擦，并使每個滾棒均勻和輪流地承擔相等的載荷。內滾道、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。軸承摘用低碳鋼，經外表滲碳處理，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計特點，它可以承擔經向和軸向的綜合載荷。外滾道與軸承中心線的夾角越大，能承擔的軸向推力和經向推力的比值越大，滾棒和滾道的接觸線越長，那么承擔載荷的能力越強。飛機處于不同的工作狀態，軸承的受力情況不同：1.飛機處于靜止狀態，軸承主要承擔靜止載荷。飛機的重力產生的停機載荷—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。如以下圖，P所產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，主要也承擔垂直載荷。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到達與飛機同樣的速度在地面滑跑。如果飛機產生了重著陸，軸承在未運轉的狀態下承擔這種沖擊載荷的危害是很大的。如果飛機帶側滑接地，如側風較大的時候，機輪還要受到較大的側向載荷，機輪受到側向摩擦力時，由于慣性作用，飛機有向一側傾斜的趨勢。因此作用在外側軸承上的垂直載荷和側向載荷要比內側的大。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，是指軸承在運轉期間由于交變應力導致在接觸面上或接觸面的亞外表處形成的疲勞裂紋而造成失效。裂紋開始形成時，其外表損傷甚微或者看不出來，直到過程的最后階段，裂紋和剝落就表現得很明顯。軸承在承擔載荷時，滾動體和滾道之間相互擠壓，在接觸部位臨近區域產生變形和應力，由于接觸面很小，即使載荷不太大，接觸應力也可能相當大。通常，滾動軸承內的接觸應力在2000—4000MPa之間。接觸應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力分布，特別是剪切應力分布的影響。假設滾動體在接觸外表滾過，外表下平行于滾動方向的切應力將按交變應力變化。在某一深度其振幅到達最大值，稱其為最大動態切應力。最大動態切應力對接觸疲勞裂紋的發生和擴展起主要作用，而最大動態切應力對接觸外表下的塑性變形起主要作用。當圓柱滾棒通過滾道外表時，對亞外表剪切應力場的影響以圖解形式自右至左示于以下圖。當滾棒從位置1滾到位置3的過程中，在位置2的應力場自行反轉，這種反轉正是促成軸承破壞的主要因素。由于剪切應力從＋τ2y變為-τ2y，因而其最大剪切應力τmax的最大絕對值成為|2τ2y|，此值遠校最大剪切應力τmax大。將上述的切應力理論應用到滾動軸承上，軸承裝在輪軸上，內圈幾乎是不動的，而外圈和輪轂一起以同樣高速的角速度旋轉。一般情況下，軸上的載荷方向是不變的，這樣內圈上有一點的受力最大，該點上產生的切應力τ0，在每一循環中(滾棒滾過此點)都比其它的點大，所以這點最早產生疲勞破壞。但對于轉動的外圈來說，承擔切應力最大值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圈長。相反，對于內圈轉動，外圈固定的滾動軸承，外圈比內圈的壽命短。通常，以下因素容易導致疲勞裂紋起源于“外表〞：①腐蝕斑點，操作刮痕，外表夾雜和外表壓痕能引起應力集中并導致起源于外表的滾動接觸疲勞，裂紋；②潤滑不良。通常引起較小的外表不連續性缺陷。例如剝落；③油膜達不到臨界厚度形成軸承外表大面積的損傷。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.旋轉爬行旋轉爬行指的是壓配合內套圈及與其配合的軸之間發生相對運動，這種失效也時有發生。旋轉爬行多發生于軸承的內套圈，它使整個裝置的運轉類似于一個摩擦傳運裝置，使軸承內套圈的內壁和軸的外表產生嚴重的以刻痕為特征的擦傷現象，甚至出現短小的徑向擦傷。它的原因在于：一方面裝配使內套圈上軸松動，一方面使用中載荷不正常或嚴重不平衡所造成的塑性變形的結果，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外表剝落下的物質沉積或粘合在另一外表上，它是由于軸承接觸面出現嚴重的相對滑動而產生的。其特點為兩接觸面被焊合，這種失效局限于經受劇烈滑動運動的接觸面上，常常是不斷加劇的。假設任其開展，相繼而來的是兩個粘污面強烈摩擦產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。產生滑動的原因：一是潤滑油脂變質或被污物及外來物質污染而硬化的結果，致使滾捧在保持架內的轉動嚴重受阻。潤滑失效可能是保持架材料在滾道和滾動體上發生粘著損傷的主要原因。二是軸承內的磨損已開展到足以使滾棒歪斜或裝配過松，以致其轉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生很大的端面沖擊載荷的結果。4.軸承的磨缺失效盡管滾動軸承是基于滾動接觸原型而設計，摩擦影響很小，然而磨損引起的軸承失效卻不容無視。它不僅導致運轉噪聲增大，而且使軸承運轉帶來其他問題，使軸承壽命縮短。造成軸承發生磨缺失效的原因是潤滑條件不適合，或者在接觸區有污物，尖硬顆粒或腐蝕性流體，或者在接觸面上存在高速度的滑動接觸。雜質充當磨料的作用，在軸承外表磨下一些不用的鋼屑，因而更增加了研磨物質。一些堅硬粗糙的顆粒劑壓于滾棒與滾道間，工作時會出現內套圈在軸上轉動。水，酸及其他腐蝕液(包括潤滑劑變質所形成的腐蝕劑)所產生的磨缺失效，通常以紅褐色的覆蓋層及普及滾道外表上的微小侵蝕坑為特點。機輪離地近，容易吸附各種雜質，所以磨缺失效是很多的。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上是幾何變形。所以軸承特別不能承擔過載，沖擊載荷及振動(特別當軸承未運轉時)。如飛機在著陸過程中，過大的沖擊載荷所產生的一種永久變形，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關系，在軸承的分解過程中是可以觀察到的現象。軟化那么是在滾動軸承中另一種塑性變形現象。由于軸承內部產生的熱量大于放出的熱量，從而導致不穩定的熱平衡，工作溫度的升高，將會導致潤滑劑的變質失效，軸承咬合以及鋼材的軟化，使疲勞壽命降低。構件嚴重的熱軟損壞，有時可根據變色和顯著塑性變形的形貌加以識別。三、加強對軸承的科學保護(a)貫徹預防為主的方針對軸承的保護，關鍵是要摘取預防為主的方針。假設軸承在使用壽命期內發生失效，務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生后，軸承還在繼續非正常工作運轉并引發其他失效模式，使大量機件同時遭到破壞，在比較復雜的情況下容易引發更大的事故。所以，對每一種失效模式都要重視。一旦發現軸承的一種失效，要及時進行更換，以預防事故的開展。(b)利用科學的治理手段，制定最優的保護方案維修治理是一個系統的工程，在這個過程中我們要貫策預防為主的方針和以可靠性為中心的維修思想。維修治理是一動態的過程，在這個過程中，要把我們的豐富的維修體會與維修理論相結合，上升到一個更高的層次，制定出最優的維修方案。這樣才不僅使我們的每一架單機的維修質量提高，而且有益于整個機群的保護質量的提高。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，雜質等物，再由于我院飛行方案的特點，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。軸承在長期停止工作的過程中潤滑狀況較差，軸承的工作環境反常的惡劣。我院的飛機主要用于飛行教學訓練，起落次數多，受沖擊載荷的頻率高，機場環境差。從對此飛機軸承的痕跡特征來分析，曾經產生多種失效模式。每一種失效模式在其他軸承上都有過發生，只不過往往是以單一的形式發生，銹跡和紅褐色的物質說明軸承過度磨損，產生Fe2O3微小顆粒，有疲勞剝落痕跡。由于磨損以后間隙較大，滾棒發生嚴重歪斜，產生滑動摩擦，產生大量的熱，并發生金屬轉移和粘著，外滾道上有滾棒分布一致的傾斜壓痕說明，軸承在滾棒傾斜以后承擔了較大的沖擊載荷，發生塑性變形。根據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，本錢最低的方法。②加強飛機停放期間的保護保養工作。把停放期間對軸承的保養作為運轉飛機的一個重要工程。在運轉飛機時，挈動飛機，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工程，統一檢查的標準，一旦發現軸承失效，及時更換。重點對常見故障模式的檢查。飛機壽命已經進入老年階段，疲勞失效變的很明顯，很容易地發現外滾道上出現了疲勞剝落。由前面的分析我們可知，外滾道的疲勞壽命比內滾道大，如果外滾道也出現疲勞剝落，說明已經完全到達了軸承的疲勞壽命，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，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，特別飛機發生重著落以后。(c)實踐工作中的本卷須知。實踐工作中除了要按保護工作單的內容完成對軸承的檢查和保護以外，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，還有磨損的產物及潤滑脂氧化的酸性物質，以及水分都必須要去除干凈。由于軸承在易揮發的溶劑中清洗后，水分會很快地凝聚在外表，抹上油脂后很難揮發掉，而且導致對鋼的腐蝕，所以在潤滑前要吹除水分。②防止污染物。軸承的檢查和保護要在潔凈的工作臺上進行，不要在地面進行，防止外界物質進入。同時還要防止軸承經受摔打。③正確的潤滑。使用飛機廠家規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的保護，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沖擊載荷和振動。保證處于適合的減震工作條件是很重要的。一、起落架的布置型式起落架按機輪支點數目和位置來分，一般有以下三種型式。1．前三點式(圖8．7)前三點式起落架的兩組主乾布置在飛機重心的稍后處，另一(或一組)前輪布置在飛機頭部。這種型式在現代噴氣式和渦輪螺槳式飛機上樁廣泛摘用，主要原因有以下幾點。(1)飛機在地面運動的方向穩定性好．兩主輪上的摩擦力合力戶，繞飛機重心的力矩將減小偏向，使飛機轉回到原來方向滑跑(圖8．8(a))。(2)飛機著陸時可猛烈剎車而不致使飛機向前翻倒(圖8．8(b))，從而可摘用高效剎車裝置以大大縮短著陸滑跑距離，這對高速飛機很有利，著陸操縱也比較簡單。(3)飛機的縱軸線接近水平位置，因此乘員較舒適，駕駛員的前方視界好，飛機滑跑阻力小，起飛加速快；噴氣發動機的噴流對機場的影響也較小。前三點式起落架的缺點是前起落架比較長，受力大，重量也較大，因而起飛時飛機抬頭難一些。有時布置稍困難(在戰斗機上飛機頭部常裝有雷達、電氣、無線電設備和武器，當飛機頭部裝有發動機時，那么前起落架的布置和收藏就更困難些)。另外，前輪在高速滑跑中還會出現擺振現象，須加裝減擺eS，使前起落架結構復雜(參見圖8．38，圖8．42)．現代的大型運輸機重量較大，囡此起落架一般都摘用多輪小車式起落架。一些重量很大的飛機，例如c—5A(重330t)、波音—747(351t)，為了提高漂浮性主起落架摘用了四組多輪小車式起落架。此時從排列上看，沿機身軸線方向兩側的各兩組主起落架比較靠近，因此從總體上說，一般仍作為前三點式布置(圖8．2)。2．后三點式(圖8．9)對于小型低速裝有活塞式發動機的飛機一般摘用后三點式起落架，即將起落架的兩個主輪布置在飛機重心