發(fā)動(dòng)機(jī)軸承保持架鉚釘頭脫落原因分析

賀孝濤，葉新農(nóng)

(海軍裝備部，西安 710021）

0 引言

微動(dòng)是兩接觸表面極小振幅(微米量級(jí))的運(yùn)動(dòng)，通常發(fā)生在一個(gè)振動(dòng)環(huán)境下的近似緊配合的接觸表面。由于沒有宏觀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)現(xiàn)象從設(shè)計(jì)到失效分析幾乎未引起相關(guān)學(xué)者的重視。其實(shí)，微動(dòng)會(huì)造成接觸表面摩擦磨損，引起構(gòu)件咬合、松動(dòng)或形成污染源等，同時(shí)，微動(dòng)也可能加速裂紋的萌生、擴(kuò)展，使構(gòu)件的疲勞壽命大大降低。微動(dòng)磨損是指滾動(dòng)軸承零件的接觸表面，由于振幅很小的正動(dòng)式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象［1］。微動(dòng)磨損和其他磨損一樣，有著極其復(fù)雜的過程，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用軸承，工作條件異常惡劣，發(fā)生微動(dòng)磨損的原因更為復(fù)雜。因此，對(duì)此類微動(dòng)磨損進(jìn)行分析研究具有一定的工程價(jià)值。

某軸承為發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的前支點(diǎn)，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行400 h壽命評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承保持架上30個(gè)鉚釘有10個(gè)鉚釘一端釘頭脫落，釘桿仍在軸承上。釘頭脫落端在軸承安裝邊的一面，朝向發(fā)動(dòng)機(jī)后方。繼續(xù)檢查，在內(nèi)齒箱殼體靠近軸承安裝邊的腔體內(nèi)找到了8個(gè)脫落的鉚釘頭。本研究通過對(duì)鉚釘頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)、斷口和金相分析，并對(duì)相關(guān)零件的尺寸進(jìn)行測量檢查，以確定該軸承保持架鉚釘頭脫落原因，以期避免鉚釘頭脫落故障再次發(fā)生。

1 軸承結(jié)構(gòu)與安裝

鉚釘頭斷裂分布見圖1。

圖1 鉚釘頭斷裂分布Fig.1 Distribution of rivet heads shedding off from bearing

所分析的軸承是某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)，為帶安裝邊的滾子軸承，外圈帶雙擋邊，內(nèi)圈無擋邊。外圈和保持架、滾子形成一個(gè)組件，通過安裝邊用螺栓固定在內(nèi)齒輪箱殼體后端面上，內(nèi)圈壓裝在高壓前軸前端(圖2)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，軸承只承受徑向載荷，最大為8.9 kN，短時(shí)極端狀態(tài)可達(dá)24 kN。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中，保持架僅起限制滾子位置，保證滾子均勻受力的作用，在滾子的帶轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)動(dòng)，本身受力不大。

圖2 軸承裝配圖Fig.2 Assembly illustration of bearing

該軸承保持架為雙半結(jié)構(gòu)，用30個(gè)鉚釘鉚合組成。為保證滑油更好進(jìn)入軸承滾道和滾動(dòng)體中，采用保持架加寬結(jié)構(gòu)，保持架為內(nèi)引導(dǎo)。鉚釘用ML15絲材鐓制而成，其工藝過程是先冷鐓出一端的鉚釘頭，保持架組合時(shí)，穿入鉚釘，從另一端采用電熱鉚合而成。此次斷頭的全部為冷鐓鉚釘頭。保持架鉚合時(shí)，將鉚釘從保持架座圈一端穿入，露出釘桿，將釘桿端頭瞬間加溫到紅熱狀態(tài)，沖壓使之變形形成鉚接釘頭。保持架材料為QSi－3 硅青銅［2-4］。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 斷口分析

宏觀觀察斷口可見，10個(gè)鉚釘均斷于鉚釘頭冷鐓一側(cè)的釘帽與釘桿倒角R處，斷面基本與鉚釘桿軸線垂直，無明顯的塑性變形。10個(gè)鉚釘斷口形貌相似，斷口平坦，多源，線源，裂紋由兩側(cè)起裂，向心部擴(kuò)展，一側(cè)擴(kuò)展較快，另一側(cè)擴(kuò)展較慢，擴(kuò)展區(qū)有清晰疲勞弧線和擴(kuò)展棱線，瞬斷區(qū)位于鉚釘內(nèi)部偏向一側(cè)，瞬斷區(qū)較小，約占斷面的1/8(圖3～圖5)。從斷口全貌還可以看到釘頭倒角處高低不平，局部有磨損粘連現(xiàn)象。

圖3 鉚釘頭斷口宏觀形貌Fig.3 Characteristics ofthe fractured rivet head

采用掃描電鏡高倍觀察斷口，可見裂紋從兩側(cè)起源，線源，起源位置處可見周向的摩擦痕跡，具有微動(dòng)疲勞損傷的特征，源區(qū)附近未見冶金材質(zhì)缺陷，見圖7和圖8;擴(kuò)展區(qū)可見到疲勞條帶，疲勞條帶細(xì)密(圖9);瞬斷區(qū)較小，為韌窩特征(圖10)。

2.2 金相分析

顯微觀察冷鐓釘頭表面狀態(tài)及變形流線，可見釘頭與釘桿轉(zhuǎn)角R處有小折疊及凹凸不平(圖11)。將冷鐓釘頭用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕后觀察流線分布，結(jié)果如圖12所示。由圖可見，在釘頭在轉(zhuǎn)角R及靠近釘桿附近變形最大，變形線由兩端轉(zhuǎn)角R處流出，形成穿流，屬變形不良［5］。

圖4 鉚釘頭斷口宏觀形貌Fig.4 Characteristics of the fractured rivet head

圖5 鉚釘桿斷口宏觀形貌Fig.5 Characteristics of the fractured rivet bar

圖6 主源形貌Fig.6 Characteristic of initial source

圖7 次源形貌Fig.7 Characteristic of secondary source

圖8 疲勞條帶Fig.8 Fatigue striations

圖9 釘頭與釘桿轉(zhuǎn)角R形貌Fig.9 Characteristics of turn angle R between rivet head and bar

圖10 釘頭與釘桿轉(zhuǎn)角R晶粒組織Fig.10 Grains at of turn angle R between rivet head and bar

2.3 尺寸復(fù)查情況

對(duì)故障軸承保持架鉚釘孔直徑及鉚釘桿直徑進(jìn)行了實(shí)測檢查，數(shù)值如下:

1)對(duì)5件故障件鉚釘桿前、中、后部直徑進(jìn)行了測量(冷鐓釘頭為前)，見表1。

表1 鉚釘桿直徑Table 1 Diameter of rivet bars mm

2)對(duì)保持架座圈、蓋圈上的30個(gè)鉚釘孔孔徑檢查結(jié)果見表2。

3)對(duì)通過150 h長期試車一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的一套軸承的鉚釘桿徑及保持架鉚釘孔徑進(jìn)行計(jì)量，結(jié)果與表1和表2相近。

表2 保持架鉚釘孔直徑Table 2 Diameter of container rivet holes mm

3 分析與討論

斷口分析表明，鉚釘斷口疲勞區(qū)面積較大，疲勞條帶細(xì)密，瞬斷區(qū)面積較小，屬典型高周疲勞斷裂特征［6-7］。鉚釘頭在工作時(shí)承受軸向拉伸交變應(yīng)力及徑向的雙向彎曲的交變應(yīng)力，這是導(dǎo)致其疲勞斷裂的應(yīng)力來源。鉚釘頭端面及鉚釘桿表面的磨損痕跡表明，故障釘頭端面與保持架端面之間以及鉚釘和釘孔之間存在微小間隙，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，鉚釘與保持架在高頻、小振幅振動(dòng)環(huán)境中，發(fā)生反復(fù)相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)速度和方向不斷發(fā)生改變，在鉚釘頭端面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，當(dāng)其超過磨粒壓潰強(qiáng)度時(shí)，使鉚釘頭摩擦表面產(chǎn)生塑性變形直至疲勞，發(fā)生脆斷，導(dǎo)致在鉚釘頭和釘桿倒角處出現(xiàn)微動(dòng)磨損。因此，鉚釘頭脫落屬于微動(dòng)疲勞斷裂。

與此同時(shí)，經(jīng)對(duì)原裝軸承保持架鉚接實(shí)物及設(shè)計(jì)圖紙復(fù)查分析，確定原裝保持架鉚釘采用雙面熱鉚工藝，即采用直桿無釘頭鉚釘，磨加工直徑精密控制桿徑，從保持架兩端分別熱鉚合，此工藝可保證釘頭端面與保持架端面不存在間隙。而故障鉚釘?shù)尼旑^為冷墩而成，冷墩頭端面難免會(huì)出現(xiàn)凹凸不平，使得釘頭端面與保持架端面配合不良，易于產(chǎn)生微動(dòng)磨損［8-9］。

此外，金相分析表明冷鐓釘頭轉(zhuǎn)角R處存在小折疊、凹凸不平及組織變形不良，這對(duì)鉚釘頭的斷裂具有一定的促進(jìn)作用。

綜上所述，鉚釘頭脫落屬于微動(dòng)疲勞斷裂，其斷裂與鉚釘和釘孔、釘頭端面和保持架端面存在間隙，以及釘頭轉(zhuǎn)角R處存在折疊及組織變形不良等因素有關(guān)。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)本次故障的原因，采用以下措施可有效防止同類故障的發(fā)生:

1)控制鉚釘和釘孔配合間隙，改為過盈配合;

2)代替冷鐓工藝，采用雙面熱鉚工藝。

5 結(jié)論

1)軸承鉚釘頭脫落屬于微動(dòng)疲勞斷裂;

2)鉚釘頭斷裂與鉚釘和釘孔、釘頭端面和保持架端面存在間隙有關(guān)。

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