多種分析方法在軸承故障上的應(yīng)用

魯洪賓

摘 要：通過借用多種分析方法對(duì)損壞軸承進(jìn)行故障分析，確定軸承損壞的機(jī)理，為后續(xù)措施制定及軸承設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：損壞軸承；機(jī)理；軸承設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

1 引言

軸承作為航空武器裝配上的重要基礎(chǔ)件，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)嚴(yán)重影響航空武器裝備的使用安全性。由于軸承在系統(tǒng)內(nèi)部，孔探等手段很難將損壞的情況全部探測(cè)出來，只能通過分解進(jìn)行觀察，往往軸承發(fā)生故障很難在第一時(shí)間反映出來，繼續(xù)工作一段時(shí)間后故障件損壞更加嚴(yán)重，給排查工作增加很多困難，只能通過多種分析方法共同使用，查找故障原因。本文通過介紹在型號(hào)上實(shí)際發(fā)生軸承故障時(shí)采用的多種分析方法，為今后故障排查、措施制定及軸承設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 軸承損害形式及產(chǎn)生的影響

2.1 軸承損害形式

球軸承保持架鉚釘斷裂、保持架斷裂、內(nèi)外圈滾道剝落，滾珠有不同程度的碾壓損傷。

2.2 對(duì)產(chǎn)品的影響

軸承損壞產(chǎn)生大量金屬屑，導(dǎo)致產(chǎn)品回油系統(tǒng)堵塞，回油不暢、內(nèi)部溫度上升，導(dǎo)致密封失效，滑油大量泄漏、壓力降低，致使產(chǎn)品高溫變色失效。

3 多種分析方法的應(yīng)用

由于軸承安裝在系統(tǒng)內(nèi)部，發(fā)生故障后不能立即反饋出來，故障后會(huì)工作一段時(shí)間，然而，工作一段時(shí)間后故障初始跡象往往被覆蓋，這對(duì)分析故障阻礙很大，因此需借助很多分析手段。

3.1 理論分析計(jì)算

根據(jù)軸承、軸、座材料參數(shù)，軸承工況、配合、溫度參數(shù)的邊界條件，使用COBRA軟件分析正常軸承在給定工況下的應(yīng)力與壽命，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 有限元分析

軸承的保持架斷裂，主要懷疑振動(dòng)因素，因此采用有限元的方法分析保持架的振動(dòng)情況，看是否存在共振情況。

該軸承保持架10個(gè)兜孔組成，兩片半實(shí)體保持架由鉚釘連接，保持架材料為QA10-3-1.5，依此建模，計(jì)算了保持架固有頻率，見表1。

從計(jì)算結(jié)果看，低階振型不存在共振情況。

3.3 理化分析

3.3.1 軸承部件宏微觀觀察

對(duì)軸承主要部件進(jìn)行宏微觀觀察，軸承部件包括外圈、內(nèi)圈、保持架、鉚釘和滾珠。通過宏微觀觀察可以確定損壞的形式，以保持架、鉚釘斷口為例闡述宏微觀觀察所起的作用。

（1）保持架

對(duì)保持架碎塊進(jìn)行體視鏡宏觀觀察，在保持架兜孔側(cè)梁還發(fā)現(xiàn)多條平行裂紋。斷口起源于兜孔與外圓交角、兜孔與內(nèi)圓交角；擴(kuò)展區(qū)可見疲勞弧線和大量細(xì)密的疲勞條帶，裂紋沿斜對(duì)角方向擴(kuò)展，裂紋已擴(kuò)展至端面，瞬斷區(qū)為韌窩特征。

（2）鉚釘

對(duì)鉚釘頭斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展棱線的匯聚方向可判斷鉚釘起源于圓周方向一圈表面，源區(qū)處磨損較嚴(yán)重，裂紋往鉚釘徑向方向擴(kuò)展，擴(kuò)展深度約占鉚釘半徑的1/2，擴(kuò)展區(qū)可見大量的疲勞條帶，中部為瞬斷區(qū)韌窩特征。

3.3.2 軸承部件金相檢查

金相檢查觀察零件金相組織，通過金相組織的實(shí)際情況，推斷造成組織變化的原因。以保持架、滾球?yàn)槔U述金相觀察所起的作用。

（1）保持架

沿保持架縱向截取金相試樣，磨制拋光腐蝕后進(jìn)行金相檢查，保持架金相組織均勻。

（2）滾珠

將9#滾珠和10#滾珠中剖，制取金相試樣，磨制拋光腐蝕后進(jìn)行金相檢查。9#滾珠表面可見一周的摩擦二次淬火燒傷層，燒傷深度約為0.2mm，且過渡處可見明顯的晶界形貌。10#滾珠表面未見燒傷層，表面為剝落坑形成的小裂紋，且近表層和心部金相組織未見明顯異常。

3.3.3 軸承部件硬度檢查

硬度檢查主要是復(fù)查硬度值是否滿足設(shè)計(jì)要求的手段，已保持架和滾珠硬度檢測(cè)為例進(jìn)行闡述。

（1）保持架硬度檢測(cè)

保持架硬度測(cè)試結(jié)果見表2，由表中結(jié)果可知，保持架硬度平均值為HV175.82，由于維氏硬度與布氏硬度轉(zhuǎn)換的數(shù)值基本相當(dāng)，可判斷保持架硬度符合技術(shù)要求。

（2）滾珠硬度檢測(cè)

滾珠硬度測(cè)試結(jié)果，9#滾珠近表層燒傷區(qū)硬度平均值為HRC59.13，低于技術(shù)要求（滾珠：HRC62～65），心部硬度為HRC65.18，略大于技術(shù)要求；較小的10#滾珠近表層和心部硬度均較均勻，平均值分別為HRC62.76和HRC62.68，符合技術(shù)要求。

3.3.4 理化分析結(jié)論

通過對(duì)軸承各故障件宏微觀觀察、金相組織和硬度測(cè)試，分析結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

（1）軸承外圈半圈可見剝落特征，其中約1/6圈剝落較嚴(yán)重，滾道處未見燒傷痕跡，另外稍小于1/3區(qū)域呈分散剝落形貌，且分散間隔區(qū)域約為20°；軸承外圈整個(gè)滾道均存在滾珠對(duì)滾道的擠壓磨損痕跡，并不僅僅是靠推力側(cè)（刻字面?zhèn)龋┐嬖谀p，表明滾珠在滾道中出現(xiàn)了軸向不平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊接觸；另外整圈滾道刻字面和非刻字面擋邊均可見從滾道內(nèi)向擋邊的沖擊擠壓金屬堆積特征，只是靠近刻字側(cè)堆積更重，也表明滾珠在滾道中出現(xiàn)了不平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊接觸；滾道軸承外圈可見振紋痕跡；

（2）內(nèi)圈表面滾道已磨損變色，整圈滾道均可見接觸磨損痕跡，滾道金屬堆積于滾道兩側(cè)擋邊處，其中靠刻字側(cè)堆積更重，與外圈損傷形貌對(duì)應(yīng)，表明滾珠在滾道中出現(xiàn)了軸向不平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊接觸。金相結(jié)果顯示滾道中部靠刻字側(cè)可見兩處月牙形燒傷痕跡。在滾道表面可見20處鋼球與滾道表面撞擊的痕跡；

（3）收集的10粒滾珠中，9粒滾珠形貌相似，表面可見劇烈擦傷痕跡，表層可見燒傷形貌，且直徑尺寸范圍為11.6mm～11.8mm；另外1粒滾珠較小，表面圓滑，發(fā)黃，尺寸僅為10.93mm，較技術(shù)要求小約1mm，該滾珠表面未見燒傷痕跡，表層和心部組織和硬度均未見異常；分析認(rèn)為10#滾珠本身尺寸可能較小。

（4）保持架和鉚釘分別發(fā)現(xiàn)4處和3處疲勞斷口，其中保持架裂紋起源與兜孔與內(nèi)環(huán)交角上，沿斜對(duì)角方向擴(kuò)展，各斷口的疲勞擴(kuò)展方式、擴(kuò)展深度相似；鉚釘均斷裂于鉚釘頭處，呈圓周起源，徑向朝鉚釘心部擴(kuò)展，擴(kuò)展深度約占鉚釘半徑的1/2，各鉚釘?shù)臄嗔逊绞胶蛿U(kuò)展深度相似。

4 結(jié)束語

在軸承發(fā)生故障時(shí)，往往需要應(yīng)用多種分析方法相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，各分析方法針對(duì)特定的影響因素進(jìn)行分析，主要就是查明該因素是否導(dǎo)致故障，有時(shí)各分析方法之間也有相互驗(yàn)證的作用。