發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承外圈開裂故障分析

梁霄，張友輝，賈朝波，高福達(dá)，趙寧寧

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

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命與可靠性的重要因素之一[1]。軸承故障種類繁多，其中套圈、保持架開裂、斷裂是較常見的故障，危害性較大。某型發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承為外圈帶安裝邊的雙半內(nèi)圈三點(diǎn)角接觸球軸承，工作過程中承受較大的軸向和徑向載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)在外場使用過程中發(fā)生了高壓轉(zhuǎn)子抱軸故障，必須返廠修理，更換新軸承并進(jìn)行附加試車，不僅造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，而且耗時(shí)，影響外場正常使用。因此，從故障檢查和理化檢測(cè)入手，分析故障產(chǎn)生機(jī)理和原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

1 故障特征

(1)外圈。故障軸承外圈表面顏色發(fā)黑，伴有潤滑油氧化色，主承力一側(cè)擋邊被整周拉斷，外圈斷成2部分，斷口較平整，故障形貌如圖1所示。其中,圖1a為外圈承力擋邊整周剝落形貌；圖1b為外圈擋邊斷裂處形貌。

圖1 外圈一側(cè)擋邊整周開裂形貌

(2)鋼球。故障軸承整組鋼球均有不同程度磨損，其中有1粒鋼球與其他鋼球有明顯區(qū)別，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損剝落，其故障形貌如圖2所示。

圖2 鋼球磨損剝落形貌

(3)保持架。保持架整體顏色呈褐色，存在潤滑油氧化結(jié)焦現(xiàn)象，內(nèi)壁有很深的摩擦痕，在保持架18個(gè)兜孔中有1個(gè)產(chǎn)生較明顯的偏磨痕跡，內(nèi)孔兩側(cè)有輾壓飛邊，工作面相對(duì)其他內(nèi)孔偏磨很大，向孔內(nèi)壁壓入的圓弧面明顯。其故障形貌如圖3所示。

圖3 保持架磨損形貌

(4)內(nèi)圈。故障軸承內(nèi)圈外形基本保持原狀，但溝道表面嚴(yán)重磨損并產(chǎn)生輾壓飛邊，表面粗糙，且工作面上有一大一小2處輾壓剝落后又被輾平的形貌。其故障形貌如圖4所示。

圖4 內(nèi)圈溝道剝落形貌

2 故障分析

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的受力較復(fù)雜，不僅承受高壓轉(zhuǎn)子自身的軸向力，還承受來自低壓轉(zhuǎn)子的軸向力。軸承出現(xiàn)早期損壞〔2〕，必然存在一定程度的異常情況。首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)情況進(jìn)行詳細(xì)復(fù)查，結(jié)果各參數(shù)未見異常。

2.1 理化檢測(cè)分析

斷口分析一般包括宏觀分析與微觀分析2個(gè)方面[3]，對(duì)故障軸承進(jìn)行理化檢驗(yàn)，分析故障原因。

2.1.1 宏觀檢查

(1)外圈。故障軸承外圈沿周向斷裂成2部分，斷口顏色為灰黑色，斷口面多處磨損，外圈引導(dǎo)面也有多處輾壓痕跡。疲勞斷口占整個(gè)斷口的20%左右(圖5)；疲勞源位于工作面上某輾壓剝落向內(nèi)延伸處，其局部放大圖如圖5b所示。

圖5 外圈斷口源區(qū)及局部放大圖

(2)鋼球。故障軸承共有18個(gè)鋼球，除1粒有嚴(yán)重磨損、剝落外，其余外觀形貌均正常。磨損、剝落鋼球的大半表面都有壓痕和剝落痕跡(圖2)，已發(fā)生變形。

2.1.2 微觀檢查

(1)外圈。用掃描電鏡觀察外圈斷口源區(qū)形貌。源區(qū)側(cè)面正好是工作面(接觸疲勞剝落位置)，剝落呈三角形，如圖6所示。剝落后的基體已基本被輾平(圖7)。

圖6 斷口源區(qū)側(cè)面疲勞剝落形貌

圖7 剝落后的基體形貌

剝落的一條裂紋向外圈基體延伸，并在外圈工作面下形成一個(gè)線性疲勞源。疲勞由內(nèi)向外并向兩側(cè)擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)較平坦，也有輾壓痕跡，具有疲勞特征。疲勞源區(qū)形貌如圖8所示，疲勞弧線形貌如圖9所示。外圈工作面接觸疲勞剝落及向基體延伸的疲勞源區(qū)均未見材料冶金缺陷。

圖8 外圈斷口源區(qū)形貌

圖9 疲勞弧線形貌

(2)鋼球。鋼球的剝落也為接觸疲勞剝落，圖10為其中幾個(gè)剝落部位微觀形貌，剝落區(qū)均未見材料冶金缺陷。

圖10 鋼球接觸疲勞剝落處形貌

2.1.3 硬度檢查

可用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方法測(cè)量硬度[4]。取軸承內(nèi)圈和1粒正常鋼球分別對(duì)不同部位進(jìn)行硬度檢查，結(jié)果未見異常(表1)。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果 HRC

2.1.4 成分分析

利用能譜儀對(duì)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損的鋼球進(jìn)行成分分析，結(jié)果未見異常，鋼球成分符合要求。

2.2 故障特性分析

通過以上分析，不難看出故障軸承的1粒鋼球具有特殊性，故對(duì)該粒鋼球單獨(dú)進(jìn)行分析。鋼球表面較常見的故障主要有原材料表面裂紋、冷熱加工折疊、淬火裂紋、砂輪擠傷、腐蝕斑點(diǎn)和軟磨金屬疲勞等[5]。故障鋼球上的剝落為接觸疲勞剝落，從鋼球缺陷的微觀形貌看，主要原因可能是冷、熱加工折疊，即沖壓折疊所致。因此，外圈開裂與鋼球剝落導(dǎo)致外溝道磨損有關(guān)，因?yàn)橥馊嗔岩矠槠跀嗔眩懦搜b配不當(dāng)、供油不暢等其他因素。

3 故障機(jī)理及預(yù)防措施

引起軸承零件斷裂和開裂的原因，可認(rèn)為是零件的實(shí)際載荷超過(或至少在局部區(qū)域)其強(qiáng)度，但也可能與其他因素，如過熱、磨損和片狀剝落有關(guān)[6]。本例軸承開裂系其中1粒鋼球剝落后對(duì)外溝道產(chǎn)生異常刮磨(車削)所致。

軸承長期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，鋼球既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，相對(duì)于溝道更易發(fā)生接觸疲勞，可能存在沖壓折疊缺陷的鋼球，折疊部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致疲勞剝落。剝落可能有3種情況：(1)完全剝落，鋼球剝落處形成的凹坑邊緣缺陷對(duì)外溝道產(chǎn)生高速“車削”；(2)完全剝落且剝落物黏附于保持架兜孔與鋼球的間隙處；(3)未完全剝落且剝落物被保持架夾住。后2種情況的結(jié)果是剝落物相當(dāng)于車刀，“車削”軸承溝道，使其形成疲勞源，在軸向力的作用下產(chǎn)生軸向斷裂；而1，3種情況的可能性最大。

簡言之，故障軸承中1粒鋼球首先剝落，進(jìn)而對(duì)軸承外圈產(chǎn)生高速“車削”，外圈異常磨損，產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而在軸向力的作用下發(fā)生軸向開裂。

建議采取的預(yù)防控制措施為：

(1)加強(qiáng)軸承外觀檢查，必要時(shí)利用無損檢查技術(shù)做進(jìn)一步的判別；

(2)增加潤滑油光譜分析及振動(dòng)測(cè)試分析。

4 結(jié)束語

鋼球疲勞剝落是軸承外圈開裂故障的根源，鋼球疲勞剝落使外溝道產(chǎn)生異常磨損、最終導(dǎo)致外圈軸向斷裂。本起故障應(yīng)為偶發(fā)事件。通過采取相應(yīng)的控制措施后，再無類似問題出現(xiàn)。