航空電機軸承故障分析與改進措施

潘永生，高 翔，孫慧廣

（1. 海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150060；2. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱150025；3.中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

航空電機軸承故障分析與改進措施

潘永生1，高 翔2，孫慧廣3

（1. 海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150060；2. 中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，黑龍江 哈爾濱150025；3.中國人民解放軍駐哈爾濱軸承集團公司軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150036）

針對某型航空交流發(fā)電機軸承故障形貌特征，分別從結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料、潤滑脂性能及填脂量等4個方面對軸承損壞的原因進行了排查和分析。結(jié)果表明，潤滑不良是導致軸承失效的主要原因。通過采取相應的改進措施，取得了良好效果。

密封軸承；結(jié)構(gòu)參數(shù)；潤滑不良；填脂量

1 前言

航空交流發(fā)電機用軸承多采用接觸式密封結(jié)構(gòu)的深溝球軸承，主要承受電機工作時的載荷，對電機的工作性能、壽命及可靠性等均有很大影響。軸承故障將直接影響電機運行，輕者噪聲變大，溫度升高；重者軸承燒毀，電機空停斷電，甚至會導致機毀人亡的重大事故。

通過對某型航空電機故障軸承進行各項檢驗，分析了軸承失效原因，并提出了針對性的改進措施。

2 故障特征

某型航空電機在地面試驗后盤槳檢查時，發(fā)現(xiàn)電機出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，分解后確認電機前端的62206-2RS軸承運轉(zhuǎn)卡滯，外觀異常。軸承套圈和鋼球材料均為GCr15軸承鋼，保持架材料為酚醛膠布管，密封圈材料為丁腈橡膠，內(nèi)部裝填7017-1號高低溫潤滑脂。

故障軸承內(nèi)圈端面高溫變藍，密封圈輕微褶皺，未發(fā)生損壞。拆除密封件發(fā)現(xiàn)保持架出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，移開斷裂塊保持架內(nèi)部已損壞，內(nèi)、外套圈滾道呈烏灰色，溝形尚好無明顯的剝落和刮蹭痕跡，鋼球均呈灰黑色，有卡滯過程中產(chǎn)生的劃痕和剝落，局部表面有潤滑脂結(jié)焦，見圖 1。

圖1 軸承內(nèi)部及鋼球形貌

3 故障檢測

3.1 尺寸檢測

因故障軸承出現(xiàn)卡滯且保持架斷裂，無法進行成品項目的旋轉(zhuǎn)精度及徑向游隙檢測工作，因此只對軸承零件開展了相關(guān)的檢測，檢測結(jié)果表明，軸承套圈尺寸無明顯超差，鋼球直徑和相互差超差較為明顯，說明該軸承工作過程中出現(xiàn)了高溫變形和嚴重磨損。

3.2 硬度檢測

軸承零件的硬度對疲勞壽命和耐磨性能有很大的影響，因此硬度值是衡量軸承質(zhì)量的一項重要指標。選取套圈溝道部位和 3 粒鋼球工作表面進行檢測，測 3 點取平均值，檢測結(jié)果見表 1。

表1 套圈硬度檢測結(jié)果 HRC

由表 1 可知，內(nèi)圈硬度值變小，溝底位置，即滾道工作區(qū)域硬度值最低55HRC，外圈硬度值最低56HRC，鋼球表面硬度36～44HRC，心部硬度46HRC。溝道和鋼球的硬度有較大程度的降低，表明經(jīng)歷了高溫。

3.3 金相組織

分別切取故障軸承內(nèi)、外圈軸向試樣及1#鋼球試樣，磨拋腐蝕后用金相顯微鏡進行觀察，內(nèi)、外圈滾道表面均可見燒傷層，見圖2a、圖2b；與外圈心部相比，內(nèi)圈心部的碳化物明顯較多，見圖2c、圖2d，說明內(nèi)圈心部受到了熱影響。

圖2 套圈的金相組織形貌

1#鋼球表面腐蝕后有明顯的顏色變化，最表層是白亮層，然后是黑區(qū)，再是白色過渡區(qū)，最后是與心部一致的黑色區(qū)。白亮層里可以看到有細小裂紋存在，見圖 3；白色過渡區(qū)，鋼球經(jīng)過高溫影響心部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，無法評級。滾道和鋼球表面未見剝落特征，說明軸承從開始出現(xiàn)異常到最終失效經(jīng)歷的時間較短。

圖3 鋼球的金相組織形貌

3.4 潤滑脂檢測

軸承需要潤滑才能長期良好地運轉(zhuǎn)，油脂失效將會導致軸承迅速損壞。內(nèi)部潤滑脂的檢測對故障分析具有重要作用。對潤滑脂進行測定，結(jié)果見表 2。結(jié)果表明，潤滑脂主要混入了磨損物以及烴類物質(zhì)，導致潤滑脂結(jié)焦后失去了潤滑作用。

表2 潤滑脂檢測結(jié)果

綜合以上檢驗結(jié)果可知，若是軸承損壞引起的故障，一般情況下潤滑脂不會短時間內(nèi)結(jié)焦，但潤滑失效會導致軸承短時間內(nèi)高溫故障，使?jié)櫥Y(jié)焦。因此，故障與潤滑不良有很大關(guān)系。

4 機理分析

航空電機軸承多采用脂潤滑方式，工況條件下，潤滑不良主要與油膜厚度不足、潤滑脂壽命不足、填脂量過高以及油膜承載能力不足有關(guān)。

4.1 油膜厚度

在一定載荷和速度條件下，鋼球和滾道接觸區(qū)內(nèi)的潤滑脂可以形成一定厚度的油膜，最小油膜厚度h0計算式為[1]：

式中：

U——兩個相互滾動接觸面的平均速度，mm/s；

Rx——球在公轉(zhuǎn)方向的等效半徑，mm；

P——最大赫茲應力，kg/mm2；

E——彈性模量，MPa；

k、i、f——常數(shù)。

為了使鋼球和滾道間的油膜厚度大到足以完全隔開鋼球和滾道，通常使油膜比厚λ＞3，計算式為[2]：

式中：

h0——最小油膜厚度，mm；

S1——滾道表面的方均根粗糙度，mm；

S2——鋼球表面的方均根粗糙度，mm。

由上述公式求得λ外=6，λ內(nèi)=5.3，說明理論上軸承是全油膜潤滑狀態(tài)。為了保證計算結(jié)果的可靠性，采用電阻法對潤滑狀態(tài)進行了試驗驗證，見圖 4。

圖4 采用電阻法測量軸承潤滑狀態(tài)

結(jié)果表明，軸承在工況條件下電阻值連續(xù)、穩(wěn)定，說明軸承在全油膜潤滑條件下運轉(zhuǎn)，與計算結(jié)果一致。

4.2 潤滑脂使用壽命

目前，對潤滑脂使用壽命計算的研究較少，所有方法均是基于某一條件下的試驗結(jié)果得到的經(jīng)驗公式。

為了掌握較為真實的潤滑脂壽命狀態(tài)，對12套此軸承進行了壽命試驗，結(jié)果均在600～650h發(fā)生抱軸現(xiàn)象。經(jīng)檢驗，潤滑脂均結(jié)焦，其他無異常，說明在工況條件下，潤滑脂的使用壽命約為600h，與使用壽命要求接近。

4.3 填脂量

較高轉(zhuǎn)速下，填脂量過高會被擠出，發(fā)生攪拌后軸承過熱，最終導致失效。該軸承填脂量為60%，為了驗證工況下填脂量是否合理，按文獻[3]方法，分別對60%、50%、35%填脂量進行了溫升試驗，結(jié)果見圖 5。

結(jié)果表明，填脂量為60%時溫升接近80℃，填脂量為35%時，溫升僅為40℃ ，說明該軸承填脂量過高。

圖5 填脂量與溫升的關(guān)系

4.4 潤滑脂承載能力對軸承壽命的影響

載荷對潤滑脂壽命的影響非常顯著，可以采用經(jīng)驗公式對同一種潤滑脂的使用壽命進行估算，計算式如下[1]：

式中：

N——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

nmax——對應潤滑脂下軸承的極限轉(zhuǎn)速，r/ min；

T——軸承溫度，℃；

P——當量載荷，kN；

C——額定載荷，kN。

可以看出，潤滑脂的使用壽命隨載荷的增大而減少。采用不同極壓劑的潤滑脂承載能力不同，故綜合考慮潤滑脂的極壓性能可以有更長的使用壽命。

軸承裝填的7017-1潤滑脂由脲類化合物稠化硅油制成，具有良好的化學穩(wěn)定性和耐熱性。由于硅油不能與極壓劑和抗磨劑相溶，導致這類脂的耐負荷能力和耐磨損能力較差。經(jīng)計算，在該型軸承工況條件下，與其他承載能力較強的潤滑脂相比，使用壽命較少，如圖 6。一旦飛行任務增多，軸承受到頻繁地啟動、俯沖及著陸等沖擊載荷（30G，G：重力加速度）影響，會縮減潤滑脂的使用壽命。因此，提升潤滑脂的承載能力是關(guān)鍵。

圖6 不同承載能力潤滑脂的計算壽命

4.5 溝曲率對潤滑脂使用壽命的影響

軸承工作時，滾道與球之間的接觸應力越大，潤滑脂的使用壽命越短[1]?；阡撉蚝蜐L道的形狀，承載時形成圖 7 所示的橢圓形接觸面。

圖7 鋼球與滾道接觸橢圓

根據(jù)赫茲接觸理論，接觸橢圓的長軸a（mm）和短軸b（mm）可通過下式求得：

式中：

Q——載荷（N）；

ρ——接觸物體的主曲率；

μ和ν——兩物體接觸區(qū)的尺寸系數(shù)。

可以看出，曲率與橢圓面積（S=πab）成反比，即曲率越小，接觸橢圓面積越大[4]。

該軸承采用傳統(tǒng)設計參數(shù)，內(nèi)、外圈溝曲率分別為0.515和0.525，由公式

可知，外圈與鋼球的最大接觸應力pm為1 796MPa，內(nèi)圈與鋼球的pm為2 091MPa。

按工況條件計算，當套圈溝曲率均為0.515時，外圈與鋼球的最大接觸應力p′m為1 599MPa，內(nèi)圈與鋼球的p′m為1 859MPa，分別改進了10.9%和11.1%。通過COBRA軟件計算，潤滑脂使用壽命提高了27%。

5 改進措施與驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，提出如下改進措施。

（1）潤滑脂由7017-1號高低溫潤滑脂更改為7014號寬溫航空潤滑脂。

（2）填脂量由60%更改為35%。

（3）內(nèi)、外圈溝曲率參數(shù)由0.515/0.525改為0.515/0.515。

為驗證分析結(jié)論的正確性及措施的有效性，對 4 套改進后的軸承在工況條件下進行壽命試驗考核，結(jié)果如下：

（1）根據(jù)4.2節(jié)內(nèi)容，改進前軸承均在600～650h發(fā)生抱軸，無法轉(zhuǎn)動。4套改進后軸承均一次性通過2 000h壽命試驗考核，試驗過程中，軸承均無異常情況。試驗后檢驗，旋轉(zhuǎn)靈活，無異常。

（2）工況條件下，改進前軸承溫升最高為170℃，波動較大；改進后軸承溫升最高為94℃，波動較小，見圖 8。

圖8 軸承改進前后壽命試驗結(jié)果

6 結(jié)論

（1）潤滑不良是導致軸承失效的主要原因。

（2）填脂量過多會導致軸承溫升過高，影響使用壽命。

（3）異常載荷及溝曲率參數(shù)對潤滑脂使用壽命影響較大。

（4）通過采取相應的改進措施后，再未出現(xiàn)類似問題，表明措施有效。

[1]PietM.Lugt.Grease Lubrication in Rolling Bearings [M]. Netherlands：A John Wiley & Sons, Ltd.,2013.

[2]T.A.harris. 滾動軸承分析[M].羅繼偉,譯.北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[3]JB/T 8571-2008，滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗規(guī)程[S].

[4]岡本純?nèi)?球軸承的設計計算[M].黃志強,譯.北京：機械工業(yè)出版社,2003.

（編輯：王立新）

Fault analysis and improvement measures of aeromotor bearing

Pan Yongsheng1, Gao Xiang2, Sun Huiguang3

( 1. Military Representative Office of Navy Aviation in Harbin Area, Harbin 150060, China; 2. AECC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025 ,China; 3. Military Representative Office of PLA in HRB Bearing Group Corporation, Harbin 150036, China )

According to the fault characteristics of the bearing for a certain type of aviation AC generator, the reasons of the bearing damage are analyzed from four aspects, including the structural parameters, material, the performance and the filling amount of the grease. The results show that the bad lubrication is the main cause of the failure of the bearing, and good results have been achieved by taking the corresponding improvement measures.

sealed bearing; structural parameters; bad lubrication; filling amount of grease

TH133.33+1

B

1672-4852（2016）04-0010-04

2016-10-16.

潘永生（1978—），男，工程師.