某發(fā)動(dòng)機(jī)用三點(diǎn)接觸球軸承失效分析

梁霄，賈朝波，高福達(dá)，魏濤

(1.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110862;2. 駐沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司軍事代表室，沈陽(yáng) 110043)

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承質(zhì)量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命與可靠性的重要因素之一。飛機(jī)在飛行過(guò)程中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承發(fā)生故障，其后果不堪設(shè)想[1]。某部雙座機(jī)當(dāng)日飛行第4個(gè)架次，左發(fā)空中報(bào)“降轉(zhuǎn)”信號(hào)，飛行員將油門(mén)拉至慢車(chē)，降轉(zhuǎn)信號(hào)仍不消失，發(fā)動(dòng)機(jī)拉停。著陸后地面潤(rùn)滑油光譜分析Fe含量嚴(yán)重超標(biāo)，高壓轉(zhuǎn)子無(wú)法搖轉(zhuǎn)，油濾及金屬屑末信號(hào)器附著大量金屬屑末。復(fù)查故障次飛行發(fā)生前的潤(rùn)滑油光譜檢查結(jié)果均符合要求，無(wú)異常的超標(biāo)和增長(zhǎng)跡象。為此，決定將該發(fā)動(dòng)機(jī)返回廠(chǎng)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)的分析研究工作。

該發(fā)動(dòng)機(jī)返廠(chǎng)后按大組合件分解檢查發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)接觸球軸承失效，軸承保持架碎裂，中腔潤(rùn)滑油系統(tǒng)相關(guān)部件異常。通過(guò)進(jìn)行理化檢測(cè)，著重分析了故障痕跡和相關(guān)的異常部件，以找出軸承保持架碎裂故障的主要原因。

1 故障類(lèi)型

1.1 軸承失效

分解檢查發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子三點(diǎn)接觸球軸承失效，保持架碎裂，部分鋼球磨損，套圈溝道表面有擠壓痕跡，如圖1和圖2所示。

圖1 保持架碎裂形貌

圖2 鋼球、套圈故障形貌

1.2 相關(guān)部件異常

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解后，在中介機(jī)匣潤(rùn)滑油腔下部回油濾網(wǎng)附近發(fā)現(xiàn)螺釘2個(gè)、壓板1個(gè)、墊片1件、大量金屬屑及金屬碎塊若干，故障形貌如圖3所示。中央傳動(dòng)錐齒輪下方封氣工藝堵蓋、螺釘及墊片脫落，故障形貌如圖4所示。

圖3 中介機(jī)匣內(nèi)的碎屑

圖4 封油擋板脫落

2 故障分析

只要選型得當(dāng)，維護(hù)和潤(rùn)滑良好，滾動(dòng)軸承使用壽命一般均大于其計(jì)算壽命。但由于使用過(guò)程中受各種因素的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意料以外的早期損壞[2]。

保持架材料本身強(qiáng)度并不高且屬薄壁件，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一旦變形過(guò)大，即使本身不發(fā)生疲勞開(kāi)裂，保持架本身的變形也可以使?jié)L動(dòng)體承受的載荷失去均勻性，從而使保持架發(fā)生疲勞斷裂[3]。

2.1 軸承結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑分析

三點(diǎn)接觸球軸承裝配在某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)上,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)。該軸承的潤(rùn)滑冷卻采用端面噴射加環(huán)下潤(rùn)滑的復(fù)合供油方式，前后共有3個(gè)噴嘴，前后2個(gè)端面的噴嘴將滑油噴入軸承內(nèi)圈與保持架之間，軸承的前端有收油環(huán)，將前端噴嘴噴入的滑油傳遞至軸承內(nèi)圈進(jìn)行環(huán)下潤(rùn)滑(圖5)。

圖5 軸承潤(rùn)滑方式

2.2 理化分析

對(duì)分解后的三點(diǎn)接觸球軸承內(nèi)圈、外圈、鋼球及保持架 (內(nèi)、外圈和鋼球材料為Cr4Mo4V；保持架表面鍍銀處理，材料為40CrNiMoA) ，中央傳動(dòng)齒輪機(jī)匣等損傷件和發(fā)現(xiàn)的碎塊、金屬絲以及外場(chǎng)、廠(chǎng)內(nèi)分解時(shí)收集到的金屬碎屑、油液進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

2.2.1 碎屑檢驗(yàn)

對(duì)滑油濾、金屬屑末報(bào)警器、磁塞上以及中介機(jī)匣中收集到的碎屑進(jìn)行了能譜檢查，其中主要的成分為Cr4Mo4V，1Cr13，40CrNiMoA和Ag。

2.2.2油液檢查

對(duì)外場(chǎng)收集的滑油進(jìn)行理化性能檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。運(yùn)動(dòng)黏度和酸值兩項(xiàng)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表1 滑油分析結(jié)果

2.2.3 失效軸承檢查

(1)失效軸承內(nèi)、外圈溝道表面存在明顯的凹坑，在掃描電鏡下放大觀察，應(yīng)為滾動(dòng)接觸疲勞所產(chǎn)生的剝落，溝道剝落形貌如圖6所示。

圖6 失效軸承套圈溝道剝落形貌

軸承內(nèi)、外圈的基體硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。外圈溝道面和引導(dǎo)面處發(fā)現(xiàn)明顯的淬火層，外圈引導(dǎo)面的二次淬火層厚度約3～3.5 mm，溝道面二次淬火層約1～1.5 mm。檢查表明，外圈引導(dǎo)面和溝道均由于發(fā)生了嚴(yán)重的磨損而產(chǎn)生了高溫。

(2)保持架兜孔工作面及外徑引導(dǎo)面均有嚴(yán)重磨損，超過(guò)1/2厚度的保持架出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。保持架與鋼球接觸的工作面存在過(guò)熱區(qū)，保持架的外引導(dǎo)面也存在過(guò)熱區(qū)，圖7中白色區(qū)域?yàn)楸３旨苓^(guò)熱區(qū)。

圖7 保持架外引導(dǎo)面和兜孔過(guò)熱痕跡

對(duì)保持架兜孔和引導(dǎo)面進(jìn)行了顯微硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 保持架較大碎塊顯微硬度

表3 保持架后端面T形碎塊顯微硬度

從顯微硬度檢測(cè)結(jié)果可以看出，保持架與鋼球接觸的工作表面由于摩擦導(dǎo)致過(guò)熱，溫度超過(guò)相變溫度，表面出現(xiàn)淬火現(xiàn)象，導(dǎo)致硬度升高，最高達(dá)到了554 HV；與外圈接觸的保持架引導(dǎo)面由于刮擦導(dǎo)致溫度更高，其硬度也更高，最高達(dá)到了781 HV。

由于所有保持架碎塊的引導(dǎo)面均存在兩條磨溝，判斷保持架外徑表面的兩條磨溝發(fā)生在保持架斷裂之前。保持架斷口大部分碰磨，斷口特征不明顯，相對(duì)保存完好的斷口為疲勞斷口，在斷口處未發(fā)現(xiàn)存在氫脆斷口。

橫梁斷口和側(cè)梁斷口均有多源疲勞，疲勞均起始于兜口工作面，疲勞弧線(xiàn)細(xì)密(圖8)；側(cè)梁斷口幾乎完全磨損，隱約可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)特征，從疲勞弧線(xiàn)方向判斷，疲勞主要起源于兜孔內(nèi)表面中心區(qū)域，疲勞弧線(xiàn)同樣細(xì)密。

圖8 保持架橫梁斷口放大形貌

保持架后端面所有碎塊均有密集分布的撞擊痕跡，撞擊處經(jīng)能譜分析主要為Ag和基體金屬元素，局部有少量的O,C,Al,Si,Mg和Ti，見(jiàn)表4。

表4 保持架后端面金屬元素

2.3 潤(rùn)滑條件復(fù)查

2.3.1 噴嘴堵塞檢查

現(xiàn)場(chǎng)選用Φ1.2 mm的保險(xiǎn)絲對(duì)噴孔進(jìn)行檢查，均可自由進(jìn)入，并無(wú)堵塞現(xiàn)象。

2.3.2 噴嘴流量及噴射方向復(fù)測(cè)

復(fù)查了工廠(chǎng)裝配時(shí)的噴嘴流量試驗(yàn)記錄，所有噴嘴流量和方向均合格。分解后又進(jìn)行了滑油流量及噴射方向的復(fù)測(cè)試驗(yàn)，所有噴嘴的滑油流量均合格。由于前噴嘴3814和后噴嘴3817變形，試驗(yàn)時(shí)滑油噴射方向略有偏轉(zhuǎn)，但基本仍向軸承供油。結(jié)合滑油壓力測(cè)試結(jié)果，表明失效軸承潤(rùn)滑冷卻情況良好。

2.4 載荷分析

(1)外場(chǎng)載荷復(fù)查。載荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，所有機(jī)動(dòng)載荷均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

(2)中央錐齒輪附加載荷復(fù)查。對(duì)中央齒箱齒輪印痕原始情況進(jìn)行復(fù)查，符合要求。

(3)軸向載荷。經(jīng)復(fù)查，故障發(fā)動(dòng)機(jī)影響高壓轉(zhuǎn)子軸向力的相關(guān)封嚴(yán)件裝配前尺寸均符合要求，不存在軸向力過(guò)大的情況。

3 故障模擬試驗(yàn)

失效分析的理想目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是“模式準(zhǔn)確，原因明確，機(jī)理清楚，措施有力，模擬再現(xiàn)，舉一反三”[4]。為模擬出保持架故障形式，在某軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

3.1 同批次軸承試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸承質(zhì)量是否有問(wèn)題，首先選用與故障軸承同批生產(chǎn)的軸承，在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)模擬相同工況試驗(yàn)3 h，試驗(yàn)過(guò)程中潤(rùn)滑油溫度、轉(zhuǎn)速均正常。分解檢查被試軸承未見(jiàn)異常，初步排除了軸承質(zhì)量問(wèn)題。另外，從多套與故障軸承同批生產(chǎn)的軸承現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好這一事實(shí)，也證明了軸承質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題。

3.2 開(kāi)口保持架試驗(yàn)

為模擬保持架初始裂紋對(duì)軸承的危害，將保持架一兜孔單邊側(cè)梁割斷，試驗(yàn)約1 h后，軸承溫度急升至315 ℃，設(shè)備過(guò)載保護(hù)停車(chē)。分解發(fā)現(xiàn)，開(kāi)口兜孔對(duì)側(cè)保持架斷裂，斷口兩側(cè)變?yōu)楹谏瑐€(gè)別保持架兜孔磨損稍重，保持架外徑局部區(qū)域磨損；個(gè)別鋼球有高溫工作現(xiàn)象和極頂磨損，溝道表面、鋼球外觀基本正常；外圈引導(dǎo)面有磨損，但未能再現(xiàn)故障保持架碎裂形貌。

3.3 淬火保持架試驗(yàn)

為模擬淬硬的保持架對(duì)軸承的危害，對(duì)保持架進(jìn)行淬火試驗(yàn)，硬度約55.3 HRC，保持架外徑尺寸發(fā)生變化，與外圈引導(dǎo)面之間有輕微卡滯。試驗(yàn)進(jìn)行13 h后，軸承溫度達(dá)到320 ℃，轉(zhuǎn)速自然下降，經(jīng)不斷調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)約2 h后，試驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)。

分解發(fā)現(xiàn)：保持架碎裂，共找到38個(gè)保持架碎塊，僅有1個(gè)橫梁未斷裂，呈“工”字形，其余碎塊呈T形；外表面有未完全斷裂的穿透性裂紋，說(shuō)明保持架側(cè)梁先于橫梁斷裂，軸承外圈溝道呈熔融態(tài)，引導(dǎo)面基本磨光；前半內(nèi)圈斷裂成許多碎塊，后半內(nèi)圈溝道呈熔融態(tài)，已無(wú)法分解；鋼球嚴(yán)重磨損，磨損后鋼球最大直徑約20 mm(正常鋼球直徑22.225 mm)。保持架宏觀形貌如圖9所示。

圖9 淬火保持架(試件)損壞宏觀形貌

淬火保持架試件損壞外觀形貌中，側(cè)梁斷口疲勞源及軸承內(nèi)、外圈和鋼球損傷形貌均與實(shí)際軸承損壞情況極為相似。

4 失效機(jī)理分析

從保持架碎塊的理化檢查結(jié)果可知，保持架與鋼球接觸的工作區(qū)域最高硬度為554 HV(52.5 HRC)。由于保持架的外引導(dǎo)面磨損更加嚴(yán)重，溫度也比兜孔內(nèi)的接觸區(qū)要高，其最高硬度為781 HV(63.3 HRC)。保持架外引導(dǎo)面與兜孔接觸區(qū)由于摩擦導(dǎo)致過(guò)熱，已經(jīng)超過(guò)了材料的相變溫度。由于此時(shí)失效軸承的潤(rùn)滑冷卻效果仍然良好，保持架產(chǎn)生了淬火現(xiàn)象，保持架材料的硬度增加，而塑性、韌度卻下降到正常值的約1/4。

軸承工作過(guò)程中所有的鋼球都會(huì)對(duì)保持架兜孔產(chǎn)生碰撞，這種力通常不會(huì)對(duì)保持架產(chǎn)生影響，但在保持架韌度大幅降低的情況下，鋼球?qū)Ρ３旨艿呐鲎擦蜁?huì)在保持架最薄弱的位置——兜孔側(cè)梁和橫梁處造成破壞。從保持架強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果可以看到，兜孔橫梁的強(qiáng)度要強(qiáng)于側(cè)梁的強(qiáng)度，這也是側(cè)梁全部斷裂而橫梁部分?jǐn)嗔训脑颉?/p>

本例軸承故障與以往故障不同的幾個(gè)主要原因是，異物嵌入到保持架與套圈之間的間隙處或保持架兜孔與鋼球之間(后者的可能性最大)，導(dǎo)致保持架偏擺，產(chǎn)生異常磨損，使溫度急劇升高。保持架碎裂后，其碎塊嚴(yán)重阻礙鋼球的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鋼球與保持架以及內(nèi)、外圈之間產(chǎn)生滑動(dòng)，套圈和鋼球的溫度急劇升高，熱膨脹使部分鋼球產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，在內(nèi)、外圈之間被拖蹭擠壓，發(fā)生材料熔融和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；在鋼球和內(nèi)、外圈的接觸區(qū)域形成了過(guò)熱區(qū)，導(dǎo)致內(nèi)、外溝道表面出現(xiàn)擠壓變形和高溫粘結(jié)，鋼球發(fā)生嚴(yán)重變形。軸承失效后軸向、徑向游隙增大造成轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致密封件產(chǎn)生嚴(yán)重的碰磨損傷。

5 預(yù)防措施

結(jié)合以上分析，為避免出現(xiàn)類(lèi)似失效故障，提高三點(diǎn)接觸球軸承的可靠性，建議采取如下預(yù)防措施：

(1)確保裝配質(zhì)量。嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝，保證裝配質(zhì)量符合要求，避免出現(xiàn)蓋板、密封墊及螺釘?shù)人蓜?dòng)脫落等問(wèn)題。

(2)針對(duì)三點(diǎn)接觸球軸承存在外圈剝落、保持架碎裂等現(xiàn)象，需明確軸承成品的碳化物形態(tài)和尺寸控制要求；優(yōu)化軸承零件表面精密磨削工藝；積極開(kāi)展國(guó)產(chǎn)超純材料的應(yīng)用研究。