軸承座開裂原因分析

黃飛波， 劉昌標， 黃 凱， 賀凱歌， 劉麗玉

（1.空軍裝備部駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇 常州 213000；2.中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇 常州 213000；3.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

疲勞斷裂失效在斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形先兆，往往造成災難性的后果[1]。據(jù)統(tǒng)計，60%~80%的各種機械零件失效是由于疲勞斷裂引起的[2]。軸承座雖為靜子件，但因為處于發(fā)動機轉動部件的環(huán)境中，不可避免地會承受一些交變載荷，引起疲勞失效[3]。而作為軸承關鍵轉動部件的承載件，軸承座的失效也會對發(fā)動機的運轉產生影響，甚至危及發(fā)動機使用安全[4]。在對疲勞失效因素的研究中，較多地關注零件材質、熱處理、缺陷等，往往忽略結構尺寸，比如缺口、轉接圓角等結構因素影響[5]。事實上，零件的疲勞性能不僅和材料有關，還主要和零件尺寸、結構等直接相關。對于疲勞失效尤其是高周疲勞失效，一些結構尺寸帶來的公差尤其應力集中效應會導致疲勞強度急劇下降[6]。因此，研究一些設計、制造方面帶來的結構尺寸對疲勞失效的影響，對預防結構件的失效有重要的工程意義。

發(fā)動機在運行60 h后分解檢查，發(fā)現(xiàn)滾棒軸承座安裝軸承外環(huán)處開裂，裂紋貫穿整個軸承外環(huán)配合面。滾棒軸承座作為發(fā)動機燃氣發(fā)生器的后支點，在保證載重和剛度的情況下，還需對燃氣發(fā)生器后軸承進行有效的冷卻。軸承座材料為2Cr23Ni12W3Si，經固溶處理。本研究對軸承座進行宏微觀觀察，材質組織檢查，確定其開裂性質，對開裂原因進行分析，并提出改進措施。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察和痕跡檢查

此型軸承座為燃氣發(fā)生器后軸承座，與后封嚴環(huán)、鼠籠式彈性支承、軸承支座安裝座等連接固定，外觀見圖1。其內環(huán)配合孔壁分為軸承外環(huán)配合面和封嚴篦齒配合面，與封嚴篦齒配合面的孔壁粘有鎳鉻封嚴墊，與雙聯(lián)篦齒配合形成封嚴結構。此外，內孔壁有3處對稱的螺栓安裝臺，開裂位置位于其中一處螺栓安裝臺與軸承外環(huán)配合面的轉接處，貫穿整個軸承外環(huán)配合面（圖2）。

圖1 軸承座外觀Fig.1 Bearing housing appearance

從開裂后的斷面上觀察，可以判斷，起源位置位于螺栓安裝臺弧面和軸承外環(huán)配合面的交界臺階處，此位置由于周向環(huán)孔的結構形成一個立體的尖角。從斷面方向觀察，起源位置基本呈現(xiàn)一個直角形貌（圖3）。此外，在螺栓安裝臺弧面處可見明顯的退刀槽。對比觀察其他2個螺栓安裝臺處對應開裂位置的倒角，均呈現(xiàn)與開裂部位一致的直角形貌（圖4）。

圖3 開裂起源位置Fig.3 Cracking origin location

圖4 故障發(fā)生部位的結構形貌Fig.4 Structure and morphology of the fault location

1.2 斷口觀察

開裂斷口前期斷面平坦，后期斷面上可見疲勞弧線和疲勞臺階（圖5）。 掃描電鏡下觀察，疲勞源區(qū)處于直角棱邊處，可見磨損，未見冶金缺陷，擴展區(qū)面積較大，微觀可見細密的疲勞條帶[6]（圖6）。說明軸承座開裂性質為高周疲勞。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of fracture

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of fracture

1.3 金相及硬度檢查

在裂紋附近沿與裂紋擴展方向一致的軸向截面，截取軸承外環(huán)配合面進行金相分析，磨拋腐蝕后進行觀察。組織為奧氏體+顆粒碳化物[7]，未見異常（圖7）。裂紋附近取樣進行硬度檢查，硬度約為HB 190，其值也在要求的正常范圍內。

圖7 軸承座金相組織Fig.7 Metallographic structure of bearing housing

2 分析與討論

軸承座開裂斷口斷面平坦，宏觀可見疲勞弧線，微觀可見細密的疲勞條帶，裂紋性質為高周疲勞[8]。

軸承座材質組織正常，源區(qū)未見冶金缺陷，但疲勞起源位置呈現(xiàn)直角過渡，存在明顯的應力集中，且有明顯的退刀槽。一方面，軸承座與軸承外環(huán)配合段和與封嚴篦齒配合段之間的環(huán)孔無倒圓設計，直角轉接存在較大的應力集中[9-10]；另一方面，螺栓安裝臺的弧面設計結構，導致源區(qū)位置的立體結構上又呈現(xiàn)一個銳角結構。斷口分析表明，軸承座疲勞源處于螺栓安裝臺弧面和軸承外環(huán)配合面的交界臺階處，此臺階無圓弧過渡，呈現(xiàn)一直角形貌，會導致較大的應力集中[11-13]。

復查此軸承座的現(xiàn)行設計圖樣、樣機圖樣和樣機件進行對比分析，認為現(xiàn)行設計圖樣與樣機不符?，F(xiàn)行設計圖樣中，對裂紋處的要求為回油槽上下兩邊倒R0.5~1.0圓角（圖8），即圖9中的1、2兩處位置倒R0.5~1.0圓角，其余尖邊倒圓為R0.1~0.2。而實際樣機圖紙要求“R0.5~1.0，四周”。即圖9中1、2、3處均要求為R0.5~1.0。復查樣機件，此位置確實為倒圓在R0.5以上。而故障件位置3倒圓為R0.1~0.2，幾乎呈直角形貌，且弧面的設計勢必導致此處的加工易出現(xiàn)退刀槽，進一步加劇此位置的應力集中。倒角不合格導致的應力集中在發(fā)動機輸出軸也出現(xiàn)過：由于實物圓角半徑比設計要求小，導致輸出軸斷裂處的實際旋轉彎曲疲勞極限強度比設計要求降低一半，輸出齒輪軸的實際疲勞壽命相比設計壽命大大降低，導致該輸出齒輪軸工作中提前失效[9]。

圖8 設計圖樣倒圓要求Fig.8 Inverted circle requirements of design drawings

圖9 國產件與樣機件差異Fig.9 Differences between domestic parts and sample parts

因此，造成發(fā)動機試車60 h軸承安裝座出現(xiàn)貫穿性疲勞開裂，與起源位置未倒圓呈一直角形貌且存在毛刺導致出現(xiàn)較大的應力集中有關。

3 改進措施及驗證

為了改善裂紋位置的應力集中，在設計上詳細規(guī)定各位置倒圓要求（回油槽處倒圓R0.5~1.0 mm）。在工藝上增加拋光工序，去除刀痕；增加各截面剖視圖，規(guī)范操作，檢驗中增加目視檢查要求并記錄檢查結果；試車后分解檢查文件中對軸承座增加無損檢查要求。貫徹更改措施后生產的軸承座，隨發(fā)動機機完成持久試車工作，返廠分解檢查，熒光檢測結果合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋，在后續(xù)使用過程中也未出現(xiàn)此類故障。

4 結 論

1）軸承座開裂性質為高周疲勞。

2）發(fā)動機試車60 h軸承安裝座出現(xiàn)貫穿性疲勞開裂，與起源位置未倒圓呈一直角形貌且存在毛刺導致出現(xiàn)較大的應力集中有關。

3）通過對設計圖樣進行完善，細化尺寸，改進軸承座的加工工藝及控制實物制造質量等措施后，試車試驗后未再發(fā)現(xiàn)此類故障。