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E190飛機主輪軸承碎裂故障分析
發(fā)布時間：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月引進國內(nèi)首架E190飛機，在2012年11月即達到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)人員提前準備好，在該飛機在落地后進行詳細檢查。飛機在太原機場正常落地，機務(wù)人員立即進行檢查，很快就發(fā)現(xiàn)左內(nèi)側(cè)主輪的輪軸保護蓋有明顯損傷，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。
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、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。對該剎車轂進行詳細的檢查，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，只是外封嚴有輕微的破損，事后進行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，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行詳細檢查，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行譯碼，獲取更為詳細的故障信息。
對本架飛機FHDB數(shù)據(jù)進行譯碼后，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到警告界限（達到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，在每次進行輪胎返修時，要拆下主輪里的兩個軸承進行徹底清潔、潤滑，還要進行目視檢查、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)進行認真研究和分析后，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，損傷程度進一步加深，說明軸承已經(jīng)嚴重損傷，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)嚴重損傷，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蓋，并開始鋸割輪軸保護蓋，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行詳細檢查，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狀態(tài)。
圖8：完好輪轂的內(nèi)側(cè)
此次事件的罪魁禍首是左內(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行，?多的，受限于設(shè)備和技術(shù)能力，我們主要從航線維護和輪胎返修的環(huán)節(jié)進行簡要分析。
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，進行了詳細的目視檢查，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)一進行清潔、潤滑，由于沒有做標志，也不對軸承的序號進行記錄，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�？梢�，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)進行了認真研究，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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