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E190飛機主輪軸承碎裂故障分析

2023-06-20

來源:民航資源網(wǎng) 作者:朱聞?wù)?/p>

E190飛機設(shè)計定型后投入航空運行的時間不長,是在2005年2月份才正式投入商業(yè)運營,天津航空于2008年5月引進(jìn)國內(nèi)首架E190飛機,在2012年11月即達(dá)到50架的機隊規(guī)模,為公司主力機型之一,在此期間國內(nèi)有多家航空公司先后引進(jìn)規(guī)模不等的E190飛機。經(jīng)過六年的安全運行,付出了巨大的努力之后,天津航空在E190飛機的運行和維修方面積累了不少的經(jīng)驗,以下針對一起特殊的起落架系統(tǒng)故障進(jìn)行簡要分析。

一、事件發(fā)生經(jīng)過

2013年某日,貴陽機場的跑道巡場人員報告在跑道頭撿到一塊圓形的鋁質(zhì)材料金屬片,直徑約為8.5cm左右。貴陽機場方面無法確定此金屬片的來源,因與本公司一架E190飛機在該機場的起飛時間相近,遂將此情況通報給本公司總部的飛機運行中心(AOC),AOC的機務(wù)值班工程師通過衛(wèi)星電話與正在飛行的機組進(jìn)行溝通,機組聲稱在起飛滑跑過程中除左內(nèi)主輪剎車溫度相對偏高之外,沒有警告信息,也未發(fā)現(xiàn)其它異常情況。

為慎重起見,我們事先通知了飛機前方著陸的太原機場,要求機務(wù)人員提前準(zhǔn)備好,在該飛機在落地后進(jìn)行詳細(xì)檢查。飛機在太原機場正常落地,機務(wù)人員立即進(jìn)行檢查,很快就發(fā)現(xiàn)左內(nèi)側(cè)主輪的輪軸保護(hù)蓋有明顯損傷,被切割成一個圓形缺口,直徑約為8.5cm左右,與金屬圓片直徑外形吻合,左內(nèi)主輪剎車轂外沿有明顯的被磨痕跡,四周有大量可見金屬削,見圖1。

該航班機組反映,太原落地后滑跑期間中央顯示器的CAS區(qū)出現(xiàn)LG NO DISPATCH信息,同時報告貴陽起飛滑跑和太原落地后并沒有出現(xiàn)機身和起落架抖動的情況。

圖1:左側(cè)主輪外側(cè)損傷情況

該飛機停場AOG(Aircraft On Ground)排故,公司總部運行中心安排一架調(diào)機到太原機場,執(zhí)行后續(xù)航班,機務(wù)AOG排故人員也隨機到達(dá)。

二、故障檢查經(jīng)過

機務(wù)排故人員到場后拆下左內(nèi)機輪,發(fā)現(xiàn)主輪軸承杯的外表面嚴(yán)重磨損,被磨出三道明顯的溝槽,寬度/深度分別約為15mm/3mm,10.5mm/9.6mm和8mm/7mm,見圖2。

圖2:軸承杯套表面的損傷情況

左內(nèi)主輪上的內(nèi)側(cè)錐形軸承完全破損,滾棒、封嚴(yán)、滾棒支架、卡環(huán)等破損零件堆積在機輪內(nèi)外軸承杯之間的區(qū)域,見圖3。

主輪輪轂架內(nèi)壁磨損成一個直徑約300mm的環(huán)狀凹槽,寬度約為25mm,深度約在6.5-7.5mm之間,輪轂的周圍有很多金屬削,見圖3。

主輪上其它損傷還有內(nèi)側(cè)軸承杯的前沿被嚴(yán)重刮磨,磨損痕跡深度約1.5mm左右,內(nèi)側(cè)軸承杯與錐形軸承的結(jié)合面嚴(yán)重磨損。

圖3:主輪內(nèi)側(cè)的損傷情況

機務(wù)人員拆下?lián)p壞的剎車轂,內(nèi)側(cè)錐形軸承底座卡死在輪軸上,無法取下,參見圖4-1。對該剎車轂進(jìn)行詳細(xì)的檢查,發(fā)現(xiàn)剎車轂內(nèi)壁有多處刮磨和變形的痕跡(圖4),其中一處的損傷長度約為120mm,寬約25mm,剎車轂靜盤的前沿表面被刮磨(圖4)。除此之外,該剎車轂其它部位正常,動片轉(zhuǎn)動正常,動片卡槽也沒有出現(xiàn)掉塊情況。

圖4:剎車轂的損傷情況

該主輪內(nèi)側(cè)錐形軸承的底座完全卡死在輪軸上,使用高強度的砂輪片,經(jīng)過6個多小時鋸割,將其鋸斷一個缺口后才能拆下,見圖5-1;輪軸外表面上有明顯剮磨痕跡2處,的一處見圖5-2;輪軸的內(nèi)部有高溫烤焦變色的痕跡,見圖5-3。

圖5:錐形軸承底座、輪軸外表面和內(nèi)壁的損傷情況

其它檢查情況如下:

(1)該機輪內(nèi)側(cè)錐形軸承完全損毀,軸承外圈的滾棒支架被完全破壞,現(xiàn)場收集到散落的軸承滾棒20個,其中大部分完全變形,另外有3個滾棒鑲嵌在軸承杯外套表面,丟失5個,正常的軸承有28顆棍棒。

(2)盡管該機輪內(nèi)側(cè)錐形軸承完全損毀,但是機輪外側(cè)錐形軸承基?上是完好的,只是外封嚴(yán)有輕微的破損,事后進(jìn)行NDT檢測沒發(fā)現(xiàn)外側(cè)軸承有異常情況。

(3)輪軸上固定機輪的大螺帽外側(cè)表面被磨損,大螺帽的鎖定卡環(huán)無損傷,該主輪的胎面有輕微的不均勻磨損,但是未磨損超標(biāo),溝槽仍然清晰可見,在輪胎根部周圍有環(huán)狀的高溫灼烤痕跡。

(4)對同一起落架上的左外相鄰機輪、剎車轂以及起落架等周圍部件進(jìn)行詳細(xì)檢查,未發(fā)現(xiàn)異常情況。

三、技術(shù)數(shù)據(jù)的收集和分析

從故障現(xiàn)場收集的情況來看,此故障現(xiàn)象奇特,發(fā)生破損的部位很多,損壞部件呈零散分布狀態(tài),僅依據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和信息,我們只是隱約地感覺到軸承故障可能是主要原因,但是無法精確地推斷整個故障是如何演變的,而且對各個部件損傷結(jié)論是相互矛盾的。因此,為了進(jìn)一步分析故障的真正原因,我們下載并整理了相關(guān)的飛機FHDB(Fault History Database)和QAR(Quick Access Recorder)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了譯碼,主要情況如下:

1、FHDB數(shù)據(jù)

E190飛機的FHDB信息儲存在飛機的CMC(Central Maintenance Computer),可以通過飛機儀表面板上的MFD(Multifunction Display)閱讀大致的故障信息,也可以下載到電腦上進(jìn)行譯碼,獲取更為詳細(xì)的故障信息。

對本架飛機FHDB數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼后,發(fā)現(xiàn)飛機在貴陽機場起飛的爬升階段,就觸發(fā)了LG NO DISPATCH故障信息,但是該信息狀態(tài)顯示是被抑制的(INHIBITED),經(jīng)查手冊核實,此信息在飛機的離地飛行階段屬于被抑制的信息級別,落地后即可轉(zhuǎn)為激活(ACTIVE)狀態(tài),并在CAS(Crew Alerting System)區(qū)顯示。這也證實了為什么在空中機組沒有反映有故障信息,而是在太原機場落地滑跑階段才出現(xiàn)故障信息的情況。

該飛機首發(fā)航班是從南寧機場出港,經(jīng)停貴陽機場,經(jīng)核對南寧出港滑行和貴陽落地后滑行的FHDB,沒有出現(xiàn)過LG NO DISPATCH故障信息,然后往前查詢了7天以內(nèi)的FHDB數(shù)據(jù),也沒有記錄此故障信息。

表1:FHDB譯碼數(shù)據(jù)

2、QAR數(shù)據(jù)

只要飛機一上電,E190飛機的QAR即可開始記錄數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)儲存在一個PC卡里,該PC卡與普通電腦通用的,容量為2G,可以從QAR取下,然后通過電腦的PC卡接口端下載。經(jīng)統(tǒng)計,E190飛機該型號QAR可以記錄3000多個不同的參數(shù),且可以連續(xù)記錄30天飛行的技術(shù)數(shù)據(jù)。另外,通過修改軟件和數(shù)據(jù)地址編碼,還可以在QAR里選擇需要記錄的參數(shù),一般情況下我們是盡量多選擇參數(shù),以方便更全面地掌握飛機的技術(shù)參數(shù)。

圖6:貴陽機場滑行、起飛剎車溫度數(shù)據(jù) 

對貴陽起飛階段QAR數(shù)據(jù)譯碼后,發(fā)現(xiàn)在貴陽機場起飛滑跑階段,左內(nèi)剎車溫度急劇上升,達(dá)277℃,明顯高于另外三個剎車轂的溫度,見圖5的Temper 2。

對南寧機場出港滑行起飛階段和貴陽機場落地滑行時的剎車溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,發(fā)現(xiàn)左內(nèi)剎車溫度(Temper 2)也明顯高于其它三個剎車轂的溫度,但其溫度曲線上升相對較低,沒有觸發(fā)警告信息。我們又對前三日所有航段的QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼后,左內(nèi)剎車溫度與其它三個剎車溫度卻是基本一致,沒有出現(xiàn)差異的情況。

以上情況表明,南寧機場航前出港滑行過程中,左內(nèi)輪子就發(fā)生了剎車溫度不正常上升的情況,約為150℃;在貴陽機場著陸滑行時也有類似情況,此時溫度約為200℃,由于此時的溫度還沒有達(dá)到警告界限(達(dá)到232℃時MFD上溫度值顯示為琥珀色),同時機組也沒有觀察到溫度變化情況,所以在前一航段飛行機組沒有報告故障。

3、相關(guān)的維修工作情況

通過飛機維修記錄系統(tǒng)查詢,該飛機七天之內(nèi)的航后沒有做過起落架部位的相關(guān)工作。再往前查詢,該輪子是在四個多月之前更換的,截止故障時已經(jīng)飛行501個循環(huán)。

查詢部件維修歷史記錄,該主輪件號為90002317-2,序號為JUN07-1215,共進(jìn)行過9次修理,從返修報告核實,返修原因均為輪胎胎面磨損超限或扎傷。

該位置的剎車轂在近期沒有拆裝記錄,與輪子的使用時間基本相同,近期一次更換后共飛行了477個循環(huán),需要說明的是,在更換剎車轂時該主輪還需要拆裝一次。

對E190飛機輪胎修理車間進(jìn)行調(diào)查,輪胎返修工作單按照CMM 32-49-28-210-005-A01的要求,在每次進(jìn)行輪胎返修時,要拆下主輪里的兩個軸承進(jìn)行徹底清潔、潤滑,還要進(jìn)行目視檢查、損傷檢測等相關(guān)工作。從收集到7份附件維修報告的情況來看,該主輪的軸承檢查情況都是正常的,沒有更換記錄。

四、故障演變過程的分析

在對以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真研究和分析后,可以確定該主輪內(nèi)側(cè)軸承碎裂是故障的真正原因,為了便于理清思路,我們將故障演變過程分成以下四個階段:

第一階段:故障潛伏期

這階段為當(dāng)日南寧機場出港之前至機輪臨末拆裝的時間,該軸承在此期間(后期的可能性更大)出現(xiàn)了損傷,損傷的程度相對輕微,并不影響軸承正常的工作狀態(tài),F(xiàn)HDB和QAR記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)均為正常狀態(tài)。

此類故障有其特殊性,僅僅依靠航線維修的檢查工作項目,基本上是不可能提前發(fā)現(xiàn)的,只有在故障發(fā)生時才直接暴露出來,如果運氣好,也有可能在進(jìn)行更換輪胎時或者返修時被發(fā)現(xiàn)。

第二階段:故障發(fā)生的初期

飛機在南寧機場出港滑行后,左內(nèi)主輪內(nèi)側(cè)錐形軸承的損傷情況就開始惡化,盡管損傷程度仍然較輕,但是已經(jīng)引起剎車溫度不正常上升,說明軸承開始處于不正常的工作狀態(tài),剎車溫度上升為150℃;在貴陽機場落地滑行后,損傷程度進(jìn)一步加深,說明軸承已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷,但是沒有完全碎裂,剎車溫度上升到200℃左右。

天津航空E190飛機實行無過站放行,外站機務(wù)人員是不執(zhí)行過站檢查工作的,飛行機組一般只做簡單的繞機檢查,盡管飛行機組都比較關(guān)注起落架部位的檢查,但是在貴陽機場過站檢查時,機組并沒有檢查出異常情況。

第三階段:故障爆發(fā)

在貴陽機場滑行起飛階段,由于內(nèi)側(cè)錐形軸承已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷,起飛時高速運轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸承徹底碎裂,摩擦力迅速增加,從而引起剎車溫度急劇上升,從圖6可以看到,飛機離地時剎車溫度達(dá)到210℃左右。起落架收人輪艙后,盡管輪子停止轉(zhuǎn)動,由于輪艙的散熱效率較差,溫度仍然持續(xù)上升,達(dá)到277℃,超過232℃琥珀色溫度指示警告界限,觸發(fā)了LG NO DISPATCH警告信息,由于飛機已經(jīng)離地,該信息被抑制。

由于內(nèi)側(cè)錐形軸承是在地面滑跑時碎裂的,機輪仍在加速轉(zhuǎn)動,滾棒被甩離軸承滑槽,使得機輪整體失去內(nèi)側(cè)的支撐點。在外側(cè)錐形軸承的軸向分力推動下,機輪整體往里移動,同時還在高速旋轉(zhuǎn),這時輪軸上固定螺母的安全卡環(huán)凸緣接觸上輪軸保護(hù)蓋,并開始鋸割輪軸保護(hù)蓋,這就是8.5cm圓形金屬片形成的原因,然后該金屬片掉落在貴陽機場的跑道上。從這一點可以證實,在貴陽機場的起飛階段,內(nèi)側(cè)錐形軸承就已經(jīng)完全碎裂了。

被甩出錐形軸承滑槽的滾棒,在機輪高速轉(zhuǎn)動的情況下,一部分被擠進(jìn)內(nèi)側(cè)軸承杯外側(cè)邊緣與剎車轂之間的縫隙,其中有3顆被機輪轉(zhuǎn)動時的產(chǎn)生的強力擠壓并嵌入軸承杯外套表面,3道明顯凹槽就是這樣形成的,另有5顆通過縫隙后丟失,這8顆滾棒也是造成剎車轂內(nèi)側(cè)表面刮磨的原因。此外,在貴陽機場和太原機場對跑道進(jìn)行詳細(xì)檢查,沒有發(fā)現(xiàn)這5顆丟失的滾棒,判斷是貴陽起飛后或者是太原機場進(jìn)近前,從空中掉落到跑道之外,無法找到。

剩下的20顆滾棒、滾棒支架以及其它損壞的部件,也經(jīng)過劇烈撞擊和摩擦,大部分嚴(yán)重變形,留在機輪內(nèi)外側(cè)軸承之間的區(qū)域。通過實物安裝證實,滾棒必須通過軸承杯外側(cè)邊緣與剎車轂之間的縫隙,才有可能丟失,這也是20顆滾棒還能留在機輪里的原因。

第四階段:后續(xù)損傷

因為內(nèi)側(cè)的軸承已經(jīng)碎裂,無法順暢轉(zhuǎn)動,飛機在太原機場落地瞬間巨大的沖擊力使得錐形軸承底座變形,被卡死在輪軸上,導(dǎo)致輪軸表面有兩處明顯的損傷。脫落的滾棒在機輪高速轉(zhuǎn)動和震動的過程中,被擠壓變形。

同時摩擦力的增加使得溫度急劇上升,達(dá)到400℃,雖然未觸發(fā)CAS紅色警告信息BRK OVERHEAT(紅色警告溫度為420℃),但導(dǎo)致了輪軸內(nèi)壁有嚴(yán)重烤焦的痕跡,輪胎根部也有被烤炙變色的明顯痕跡。

對于輪轂內(nèi)側(cè)的環(huán)形凹槽,我們分析后認(rèn)為,應(yīng)該是發(fā)生在貴陽機場起飛滑跑和太原機場著陸滑跑兩個階段,主要是機輪往里移動后,剎車轂靜盤的外沿與機輪輪轂內(nèi)側(cè)接觸摩擦產(chǎn)生的,所以這個環(huán)形凹槽直徑正好與剎車轂靜盤外沿的直徑相同。

由于該起落架的外側(cè)機輪仍然處于完好的狀態(tài),并不影響這一側(cè)起落架的正常功能,所以機組在高速滑行時并沒有感覺到機身抖動的情況。

五、軸承碎裂的原因分析

下圖為E190飛機主輪輪轂及其主要部件的示意圖,經(jīng)過查詢資料比較,與大多數(shù)飛機機輪的結(jié)構(gòu)基本相同。

圖7:機輪輪轂、軸承安裝圖

根據(jù)手冊資料以及實物分析,兩個錐形軸承通過松配合裝配在機輪輪轂的軸承杯里,軸承杯表面相對于輪軸是一個斜面,滾棒是緊貼斜面進(jìn)行滾動的。在地面承受飛機重力時產(chǎn)生沿輪軸方向的軸向分力,正常情況下內(nèi)、外軸承產(chǎn)生的軸向分力大小相等,方向相反,可使機輪在軸向保持靜止?fàn)顟B(tài)。

圖8:完好輪轂的內(nèi)側(cè)

此次事件的罪魁禍?zhǔn)资亲髢?nèi)主輪錐形軸承碎裂造成的,經(jīng)核查,這是我公司E190飛機2008年運行以來第一次發(fā)生,通過對其它航空公司工程技術(shù)部門的咨詢,主輪錐形軸承碎裂的情況也不多見,目前尚沒有收到相關(guān)的正式報告。

根據(jù)機輪錐形軸承的工作特點,對軸承碎裂的原因分析可以按照方式進(jìn)行,?多的,受限于設(shè)備和技術(shù)能力,我們主要從航線維護(hù)和輪胎返修的環(huán)節(jié)進(jìn)行簡要分析。

1、航線維修工作的原因分析

拆裝機輪是基本的航線維修內(nèi)容之一,安裝E190飛機主輪時,需要進(jìn)行兩次磅力矩工作,第一次預(yù)緊力矩值較大,為481-495 N.m(4260-4380 lb.in),將主輪錐形軸承往里壓緊到位,避免產(chǎn)生軸向活動空隙。第二次為上緊力矩較小,為147-151 N.m(1300-1335 lb.in),即可將機輪固定好,使得機輪不至于過緊,影響順暢轉(zhuǎn)動。

該主輪自臨末一次安裝后已經(jīng)使用了477個循環(huán),通過近期一個多月QAR的數(shù)據(jù)分析,四個主輪的剎車溫度全部正常,溫度曲線基本相同,此外通過維修數(shù)據(jù)系統(tǒng)查詢,近期6個月沒有相關(guān)起落架和剎車系統(tǒng)的故障,可以排除航線維修工作引起故障的因素。

2、輪胎返修車間維修工作的原因分析

在各個故障軸承部件上,附著的潤滑脂很多,仍然有很好的粘性,沒有干燥板結(jié)情況。對損傷部件清潔后,進(jìn)行了詳細(xì)的目視檢查,所有損傷均體現(xiàn)出一次性外力作用的情況,未發(fā)現(xiàn)長期磨損造成的累積性損傷,因此可以確定軸承的清潔、潤滑工作環(huán)節(jié)不是誘發(fā)故障的主要原因。

我們在輪胎返修車間檢查時發(fā)現(xiàn),有幾個同時修理的機輪,軸承拆下后統(tǒng)一進(jìn)行清潔、潤滑,由于沒有做標(biāo)志,也不對軸承的序號進(jìn)行記錄,因此,不可避免會造成串裝的情況,也就是說,這次損壞的機輪經(jīng)過9次修理后,該機輪上的軸承基本上可以確定不是原裝的了,所以這個軸承到底使用了多長時間,不能給出一個明確?結(jié)論。

此外,軸承在拆下清潔、潤滑、安裝的過程中,由于工作場所的轉(zhuǎn)移,不能確定其中是否有摔落的情況,因為這種情況會造成滾棒、支架產(chǎn)生隱形裂紋。可見,盡管不能確定輪胎車間是否存在問題,但是可以確定在修理的工序上有提升的必要性。

3、軸承制造廠家的原因分析

廠家CMM(Component Maintenance Manual)針對軸承的檢查方式只有目視檢查,檢查內(nèi)容是銹蝕、裂紋、碳化、刮痕、點狀腐蝕、平整度、高溫變色等,只要發(fā)現(xiàn)不正常癥狀就必須更換。這種檢查方式是有一定缺陷的,只能檢查到表面可見部分,無法檢測滾棒及相關(guān)部件的隱藏部位,還是有漏檢的可能性。此外,軸承也沒有規(guī)定使用壽命,而且輪胎返修車間工作模式也是無法控制軸承使用時間的,軸承本身就是磨損部件,僅依靠目視檢查發(fā)現(xiàn)問題之后再更換,是不太可靠的。

E190飛機使用Meggitt公司生產(chǎn)的主輪輪轂及軸承,這是我公司第一起軸承碎裂的故障報告,Meggitt公司出于保護(hù)商業(yè)機密的緣故,沒有給出世界機隊的使用情況。

從整體的情況來看,這是一起個案,盡管檢查方式存在不足之處,軸承質(zhì)量可以得到保障的。

六、小結(jié)

這是一起典型的由單個部件損壞引起連鎖反應(yīng)故障的特殊案例,我們在初期的故障分析中,基本上就得出了左內(nèi)機輪內(nèi)側(cè)錐形軸承碎裂是首要原因,但是對故障的整個演變過程是很迷惑的,不能精確地判斷幾個關(guān)鍵現(xiàn)象形成的時間點、順序等情況,如圓形金屬片是如何形成的和掉落的?軸承杯套上的三道凹槽是如何形成的?錐形軸承底座是如何卡死的?輪軸內(nèi)筒高溫烤炙的色變發(fā)生在什么時候?等等,盡管收集了一些FHDB、QAR相關(guān)數(shù)據(jù),但是在大量的數(shù)據(jù)和信息面前,沒有將所有的信息有效地串在一起,也就是排故思路不清晰,邏輯推理混亂,因此就對各個故障環(huán)節(jié)的推斷出現(xiàn)了非常矛盾的結(jié)論。

通過對排故思路的整理,我們重點對QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了認(rèn)真研究,以QAR記錄的剎車溫度數(shù)據(jù)變化的時間點為線索,我們將故障演變過程分成了四個階段進(jìn)行分析,然后分別對每個階段的數(shù)據(jù)和信息深入分析,很快就理清了故障分析的思路,能夠?qū)⑺泄收犀F(xiàn)象有機地串接起來,非常精確地推算出故障演變情況,基本上還原了每一個階段的該機輪真實的工作狀態(tài)。

目前大多數(shù)飛機上類似QAR和FHDB的系統(tǒng)可以記錄各種各樣的參數(shù)數(shù)據(jù),機務(wù)維修人員除了要收集有效數(shù)據(jù)和信息外,還要善于對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別和分類,以及邏輯清晰的思維分析能力,否則即使擁有海量的數(shù)據(jù)和信息,也會陷入一籌莫展的窘境。

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