直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)齒輪軸承失效分析

李權(quán)，柴志剛，陳林，興長(zhǎng)喜，徐志剛

(1.北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076；2.中國(guó)人民解放軍第五七零一工廠，成都 610207；3.駐哈爾濱軸承集團(tuán)公司軍事代表室，哈爾濱 150060)

1 失效軸承檢查

某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中出現(xiàn)報(bào)警，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查發(fā)現(xiàn)磁堵上有片狀金屬屑，經(jīng)確認(rèn)該金屬屑來(lái)自于減速器主動(dòng)齒輪前軸承滾子。主動(dòng)齒輪軸承規(guī)定壽命為1 000 h，發(fā)生故障時(shí)軸承實(shí)際使用不到100 h。

減速器采用主動(dòng)齒輪和中間齒輪兩級(jí)外圓柱斜齒輪減速，主動(dòng)齒輪由前后兩套結(jié)構(gòu)相同的圓柱滾子軸承支承。該軸承采用實(shí)體保持架，外圈帶安裝邊和雙擋肩，無(wú)內(nèi)圈，內(nèi)滾道為主動(dòng)齒輪軸頸；軸承外圈通過(guò)安裝邊固定在減速器機(jī)匣上；軸承dmn值達(dá)到1.87×106mm·r·min-1。失效軸承位于主動(dòng)齒輪的輸入端。

1.1 外觀檢查

失效軸承分解后如圖1所示。在軸承12粒滾子中有3粒滾子工作面產(chǎn)生損傷，損傷區(qū)域呈扇形，周向長(zhǎng)約4 mm，徑向?qū)捈s1 mm。軸承外滾道和主動(dòng)齒輪軸滾道上有局部剝落和磨損現(xiàn)象，保持架沒(méi)有明顯損傷。

圖1 軸承損傷情況

在體視顯微鏡下對(duì)損傷滾子進(jìn)行觀察，其外觀如圖2所示。滾子損傷區(qū)域大小有差異，但位置相當(dāng)，均位于靠近端部的工作面上，且其斷口上有比較明顯的疲勞弧線特征，為疲勞剝落。

圖2 剝落滾子

1.2 微觀檢查

選取1顆典型的剝落滾子，利用ZEISS SUPRA 55VP掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察，滾子剝落部位如圖3所示。可見(jiàn)扇形剝落位于滾子倒角和工作面末端，倒角部分?jǐn)嗫谳^粗糙，主要表現(xiàn)為放射棱線，工作面部分?jǐn)嗫诒容^平坦，有從倒角側(cè)起始沿軸向的放射棱線，并可見(jiàn)疲勞弧線，整個(gè)剝落斷口呈高應(yīng)力疲勞斷裂特征。斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖4所示，疲勞區(qū)已發(fā)生磨損并呈現(xiàn)出漣波花樣。疲勞剝落起源于滾子外表面，起源部位特征如圖5所示，滾子疲勞剝落呈線性多源起始的特點(diǎn)，疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯的材質(zhì)和冶金缺陷。滾子剝落相鄰部位也已出現(xiàn)層狀疲勞剝落(圖6)。

圖3 滾子剝落部位電鏡形貌

圖4 斷口上疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

圖5 疲勞斷裂起源部位特征

圖6 剝落相鄰部位的層狀剝落

1.3 組織和硬度檢查

利用NORAN X射線能譜儀對(duì)滾子成分進(jìn)行分析，滾子能譜圖如圖7所示，滾子成分符合Cr4Mo4V要求，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖7 滾子能譜圖

對(duì)剝落滾子組織進(jìn)行檢查，其組織為回火馬氏體(圖8)，符合Cr4Mo4V高溫軸承鋼淬火+低溫回火熱處理狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)夾雜物超標(biāo)或網(wǎng)狀碳化物等異常組織。

圖8 剝落滾子組織

利用洛氏硬度計(jì)對(duì)滾子硬度進(jìn)行檢查，硬度為62.5～63 HRC，符合Cr4Mo4V高溫軸承鋼滾子的硬度要求。

2 輪廓測(cè)量

利用TAYLOR HOBSON S4C型輪廓儀對(duì)不同批次的新軸承、故障軸承的滾子和外滾道輪廓及其他相關(guān)尺寸進(jìn)行了測(cè)量。故障發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)齒輪軸軸頸(相當(dāng)于軸承內(nèi)滾道)測(cè)量結(jié)果正常，滾子和外滾道輪廓測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滾子和外滾道輪廓測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果顯示，故障軸承的外滾道邊緣有凸起，同型新品軸承外滾道正常；軸承滾子凸度控制不嚴(yán)格，檢查包括故障軸承在內(nèi)共6套軸承的滾子，其中3套軸承內(nèi)安裝的滾子凸度偏小，1套軸承內(nèi)安裝的滾子凸度偏大，滾子凸度不符合標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象比較普遍(針對(duì)該型軸承，某公司企標(biāo)規(guī)定，滾子凸度為3～6 μm)。故障軸承內(nèi)已經(jīng)發(fā)生剝落的滾子無(wú)法進(jìn)行凸度測(cè)量，凸度合格的結(jié)果只適用于其他未剝落滾子。

對(duì)故障軸承滾子的直徑相互差和長(zhǎng)度相互差進(jìn)行測(cè)量，直徑相互差為2.3 μm，大大超出了標(biāo)準(zhǔn)值0.7 μm；長(zhǎng)度相互差為2μm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 分析討論

3.1 失效形式

通常，滾動(dòng)體磨損失效產(chǎn)生的顆粒小且磨損過(guò)程是漸進(jìn)的，而滾動(dòng)體疲勞剝落顆粒較大且失效過(guò)程具有突發(fā)性。從本次故障件外觀及斷口觀察結(jié)果看，軸承中除了3粒滾子端部發(fā)生疲勞剝落外，未發(fā)現(xiàn)軸承其他組件有明顯的損傷。分析認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)減速器主動(dòng)齒輪前軸承失效形式為滾子端部疲勞剝落。

3.2 失效原因分析

剝落滾子斷口檢查結(jié)果顯示，失效為高應(yīng)力疲勞剝落所致，疲勞剝落起源于滾子外表面，且疲勞起源位置未發(fā)現(xiàn)明顯的材質(zhì)和冶金缺陷。滾子原材料及熱處理等均正常，符合制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從故障現(xiàn)象看，規(guī)定壽命為1 000 h的軸承僅使用了不到100 h就在滾子端部的工作面上出現(xiàn)了疲勞剝落，表明軸承在工作中承受了非正常的載荷，滾子端部承受了較大的應(yīng)力。從發(fā)動(dòng)機(jī)使用及檢修情況來(lái)看，主動(dòng)齒輪軸的同軸度符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)與故障現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)的特殊工況。

為了改善滾子的載荷分布，通常將滾子和套圈滾道加工成帶凸度的，滾子凸度適當(dāng)會(huì)有效降低滾子端部的應(yīng)力水平，降低疲勞破壞。本案故障軸承的12粒滾子中只有3粒出現(xiàn)了疲勞剝落，且疲勞剝落均發(fā)生在滾子端部，這說(shuō)明軸承中滾子端部受力狀況不一致，發(fā)生疲勞剝落的3粒滾子承載較大，端部存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這說(shuō)明個(gè)別滾子凸度過(guò)小可能是本次故障的根本原因。

軸承輪廓復(fù)測(cè)結(jié)果顯示，故障軸承外滾道邊緣有局部凸起；滾子凸度或大或小，不符合標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象比較普遍。分析認(rèn)為，發(fā)生破壞的3粒滾子存在凸度過(guò)小的問(wèn)題，在大應(yīng)力作用下，滾子端面附近出現(xiàn)非常大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致滾子在使用中發(fā)生早期疲勞破壞，并在滾道邊緣上形成了凸起。

故障軸承滾子直徑相互差和長(zhǎng)度相互差測(cè)量結(jié)果顯示：滾子長(zhǎng)度相互差符合標(biāo)準(zhǔn)值，而滾子直徑相互差則大大超出了標(biāo)準(zhǔn)值。直徑相互差大會(huì)導(dǎo)致滾子受力狀況不一致，直徑大的滾子承載較大，因此，滾子直徑相互差大也是導(dǎo)致個(gè)別滾子過(guò)載和提前發(fā)生疲勞剝落的重要因素。

3.3 軸承表面質(zhì)量與振動(dòng)測(cè)試

軸承失效多發(fā)生在其表面或表層，表層的質(zhì)量對(duì)軸承的使用壽命是至關(guān)重要的[1]，本次故障正是由于表面質(zhì)量不良導(dǎo)致了早期疲勞失效。

在生產(chǎn)過(guò)程中,軸承的質(zhì)量檢查主要是目視外觀檢查以及游隙、旋轉(zhuǎn)靈活性、噪聲、無(wú)損檢測(cè)和殘磁測(cè)量等相關(guān)的檢查，來(lái)保證軸承產(chǎn)品的質(zhì)量。由于軸承產(chǎn)品本身的特殊性，目前的檢查及處理方法存在薄弱環(huán)節(jié)，需要增加新的檢測(cè)方法和手段。本次故障檢查中所用的輪廓儀是測(cè)量軸承表面質(zhì)量的可靠工具，也正是利用這一工具，才為本次故障的準(zhǔn)確判定提供了有力證據(jù)。但是，輪廓儀測(cè)量效率較低，不適宜直接用于生產(chǎn)。

振動(dòng)測(cè)試作為軸承故障監(jiān)測(cè)的另一種方法，近些年來(lái)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[2-4]，被逐漸應(yīng)用于低噪聲軸承的終檢中，并制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)研究，振動(dòng)值作為軸承動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可以反映出軸承制造精度方面的諸多因素[5]，包括套圈滾道的圓度及波紋度，滾動(dòng)體的圓度，甚至包括套圈滾道和滾動(dòng)體的表面粗糙度、直徑差。因此，從某種程度上看，振動(dòng)測(cè)試甚至可以認(rèn)為是反映了包括設(shè)計(jì)及加工質(zhì)量在內(nèi)的綜合測(cè)試。就本次故障而言，如果進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，應(yīng)該可以在檢驗(yàn)階段即發(fā)現(xiàn)該質(zhì)量問(wèn)題而不至于造成使用現(xiàn)場(chǎng)故障。

4 結(jié)論與建議

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)減速器主動(dòng)齒輪前軸承失效模式為滾子端頭疲勞剝落。

(2)軸承個(gè)別滾子凸度過(guò)小是導(dǎo)致故障的根本原因；滾子直徑相互差大使個(gè)別滾子承載較大，是導(dǎo)致滾子發(fā)生疲勞剝落的重要因素。

(3)為了有效控制制造質(zhì)量不良帶來(lái)的隱患，建議軸承生產(chǎn)廠家盡快開(kāi)展針對(duì)該類(lèi)軸承振動(dòng)測(cè)試的研究，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，將振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用到該型軸承的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中。