桿端關(guān)節(jié)軸承失效分析

曾 坤，張韶佳，陳 昕，錢國強(qiáng)

(昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

關(guān)節(jié)軸承是一種滑動軸承，由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有較大的承載能力、良好的耐沖擊性和耐磨性，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械和鐵路機(jī)車等領(lǐng)域。其中桿端關(guān)節(jié)軸承主要應(yīng)用在操縱和動力傳遞機(jī)構(gòu)中。尾槳阻尼器桿端關(guān)節(jié)軸承是直升機(jī)尾槳系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其失效將會導(dǎo)致災(zāi)難性事故。該軸承常見的失效形式有鋼/鋼摩擦副內(nèi)外圈配合面摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致磨損加劇，擺桿在長期處于高速擺動狀態(tài)下在應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)裂紋等，但在桿端關(guān)節(jié)軸承桿端體圓環(huán)出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致失效的案例很少，因此，研究查找失效原因，對保障尾槳阻尼器系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)、迫切和重要的意義。

直升機(jī)尾槳阻尼器桿端關(guān)節(jié)軸承在桿端體發(fā)現(xiàn)裂紋并斷裂，后續(xù)又在同型直升機(jī)的尾槳阻尼器桿端關(guān)節(jié)軸承同一區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)裂紋。桿端關(guān)節(jié)軸承采用常溫裝配工藝，即常溫下將配合的軸承和桿端體壓到配合位置，過盈量為5～8 μm。

為驗(yàn)證裂紋形成原因，模擬故障再現(xiàn)，本研究選取與失效件同一型號的2件桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析斷口性質(zhì)和桿端體內(nèi)壁表面損傷情況。為分析桿端內(nèi)壁表面加工方式不合理是發(fā)生微動磨損的原因，對未使用的國產(chǎn)件和進(jìn)口件各2件沿?cái)嗔盐恢媒馄屎螅^察其桿端體內(nèi)壁表面損傷情況。為分析桿端內(nèi)壁線狀損傷與裝配方式的關(guān)系，對3種裝配方式的改進(jìn)后國產(chǎn)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)性能分析，然后選其中的6件試驗(yàn)件進(jìn)行對比，觀察斷口和桿端內(nèi)壁表面損傷情況，確定最合理的裝配方式。

本研究不僅可預(yù)防同類故障的再次發(fā)生，提高直升機(jī)質(zhì)量安全，并經(jīng)過相關(guān)部門試驗(yàn)、討論與分析后重新規(guī)定零件的飛行服役壽命，及時(shí)更換零件，優(yōu)化軸承裝配方式，降低直升機(jī)飛行中事故風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也為其他相同系列軸承類零件預(yù)防微動磨損引起的疲勞斷裂失效模式提供了裝配方式和間隙量等可考慮的因素。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

失效零件外觀形貌見圖1a，裂紋位于桿端體孔的兩側(cè)，且不在同一條直線上，兩側(cè)斷面較平坦，呈亮灰色，在斷口的側(cè)表面即孔內(nèi)壁能觀察到紅棕色產(chǎn)物(圖1b)。失效零件桿端體材料為沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb。

圖1 失效零件外觀觀察Fig.1 Macro morphology of failed part

1.2 斷口宏觀觀察

將斷口置于體視顯微鏡下進(jìn)行宏觀觀察，可見：斷口1為疲勞斷口，裂紋起源于桿端體內(nèi)壁圖2a中箭頭所指部位，斷面平坦，疲勞擴(kuò)展充分，瞬斷區(qū)面積約占斷口面積的2%(圖2a)；斷口2為疲勞斷口，裂紋起源于桿端內(nèi)壁圖2b中箭頭所指部位，斷面相對粗糙，疲勞擴(kuò)展相對較快，在斷口上能觀察到典型的疲勞弧線，瞬斷區(qū)面積約占斷口面積的5%。斷口1出現(xiàn)裂紋早于斷口2，斷裂時(shí)間長于斷口2。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of fracture

1.3 斷口微觀觀察

對斷口進(jìn)行微觀觀察，在擴(kuò)展區(qū)能觀察到清晰的疲勞條帶，疲勞條帶間距短，條帶分布較細(xì)密，說明斷裂過程比較充分(圖3)。

1.4 裂紋源處特征分析

觀察桿端體孔內(nèi)壁，可見紅棕色產(chǎn)物和箭頭所指線狀損傷(圖4)。紅棕色產(chǎn)物為鋼制零件發(fā)生微動磨損的典型特征形貌，線狀損傷沿軸向分布，多數(shù)位于內(nèi)壁兩側(cè)，因兩側(cè)微動磨損嚴(yán)重，故觀察不明顯。觀察軸承外圈，可見不均勻的磨損擦傷形貌、麻點(diǎn)坑和擠壓變形痕跡(圖5)。

1.5 能譜分析

分別對紅棕色粉末和桿端體材料基體進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，結(jié)果見表1。紅棕色粉末含F(xiàn)e、O元素較高，主要成分為鐵的氧化物，由鋼的磨損產(chǎn)物為紅棕色粉末，可確定紅棕色粉末為零件微動磨損產(chǎn)物。

圖3 疲勞條帶形貌Fig.3 Micro appearance of fatigue striations

圖4 桿端體內(nèi)壁紅棕色微動磨損產(chǎn)物和線狀損傷形貌

圖5 軸承外圈磨損擦傷形貌Fig.5 Damage morphology of bearing outer ring

從桿端體基體的能譜分析結(jié)果可見05Cr17Ni4Cu4Nb主要合金元素。

1.6 硬度檢測

截取失效關(guān)節(jié)軸承帶柄桿端體耳環(huán)基體，沿其壁厚方向平面進(jìn)行洛氏硬度檢測，結(jié)果為HRC 37.1，符合圖紙HRC 35～42要求。

1.7 疲勞試驗(yàn)件觀察分析

取與失效件型號相同的2件桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。軸承采用常溫裝配工藝，試驗(yàn)載荷等級為5級，每級循環(huán)次數(shù)為50萬次，其中，1件在加載第四級載荷經(jīng)25萬次循環(huán)后軸承外圈耳環(huán)斷裂，另1件完成五級載荷50萬次循環(huán)后軸承外圈未破壞。對2件試驗(yàn)件進(jìn)行斷口分析及解剖觀察，斷裂件斷口形貌如圖6所示，斷口形貌與失效件斷口形貌基本相同，裂紋源位于桿端體內(nèi)壁表面微動磨損處,斷口性質(zhì)為疲勞斷口，在桿端體內(nèi)壁可觀察到線狀損傷(圖7)。

表1 能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis results (mass fraction /%)

未斷裂疲勞試驗(yàn)件桿端體內(nèi)壁形貌如圖8所示，可觀察到沿軸向分布的線狀損傷和沿圓周的微動磨損痕跡。

1.8 解剖件觀察分析

對未使用的國產(chǎn)桿端關(guān)節(jié)軸承和進(jìn)口件各2件進(jìn)行解剖對比觀察，結(jié)果見圖9。國產(chǎn)桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)壁表面均有明顯沿軸向分布的線狀損傷痕跡，垂直于圓周機(jī)械加工方向，貫穿整個(gè)桿端體內(nèi)壁表面(圖9a)。進(jìn)口桿端體內(nèi)壁表面觀察到沿圓周方向的機(jī)械加工痕跡，未見明顯的其他異常痕跡(圖9b)。從對比圖可以看出，2對比件內(nèi)壁表面機(jī)加工方式不同，國產(chǎn)件采用普通磨削加工，磨削方向?yàn)橹芟?，進(jìn)口件采用珩磨精加工，表面呈交叉網(wǎng)紋，兩種加工方式的零件均采用常溫普通裝配后解剖觀察，進(jìn)口件桿端體內(nèi)壁表面狀態(tài)明顯優(yōu)于國產(chǎn)件，說明進(jìn)口件桿端體內(nèi)壁表面機(jī)加工方式優(yōu)于國產(chǎn)件，可采用進(jìn)口件的機(jī)加工方式對國產(chǎn)件內(nèi)壁表面進(jìn)行機(jī)加工改進(jìn)，從而減小與軸承外圈表面的摩擦。

圖6 斷裂件斷口宏觀形貌Fig.6 Macro appearance of fracture

圖7 斷裂件桿端體內(nèi)壁形貌Fig.7 Macro appearance of inner wall of fractured part

圖8 未斷裂件桿端體內(nèi)壁形貌Fig.8 Macro appearance of inner wall of unfractured part

1.9 工藝改進(jìn)后疲勞試驗(yàn)件對比分析

對國產(chǎn)軸承桿端體內(nèi)壁表面采用珩磨精加工改進(jìn)后，為研究裝配方式和裝配參數(shù)對疲勞性能的影響，對表面機(jī)加工改進(jìn)后的軸承采用：1)軸承間隙量為0.02 mm，常溫裝配；2)過盈量為12 μm，溫差裝配；3)過盈量為8 μm，常溫裝配。取3種狀態(tài)各2件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)考核和疲勞試驗(yàn)性能分析，試驗(yàn)結(jié)果為：采用方式1，2件在加載第四級載荷31.1萬次和36.9萬次時(shí)軸承外圈出現(xiàn)裂紋；采用方式2，2件在加載第四級載荷25萬次和19萬次時(shí)軸承外圈出現(xiàn)裂紋；采用方式3，2件在加載第五級載荷21.2萬次和第四級載荷15.1萬次軸承外圈出現(xiàn)斷裂。

圖9 桿端體內(nèi)壁形貌Fig.9 Macro appearance of inner wall

從上述分析結(jié)果得出：過盈量過大(12 μm)對疲勞性能有不利影響，比過盈量為8 μm和間隙量為20 μm的疲勞性能都差；過盈量為5～8 μm常溫裝配狀態(tài)最好的疲勞性能比過盈量為12 μm溫差裝配和間隙量為20 μm常溫裝配的性能好，所以過盈量選擇5～8 μm是合理的；由于溫差裝配在裝配過程中沒有對軸承外圈構(gòu)成裝配損傷，所以間隙量為20 μm常溫裝配和過盈量為12 μm溫差狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性較好。

線下活動。一是在“6 · 25”全國土地日舉行“暢想國策夢”——人口·資源·環(huán)境三項(xiàng)基本國策文藝演出和“國策惠民 詠贊慈溪”領(lǐng)頌演出活動。二是設(shè)計(jì)制作國策宣傳大型海報(bào)，用好各大LED電子顯示屏，在人流量大的廣場和公園（峙山公園、虞波廣場、國策公園）放置大型宣傳展架開展大型國策宣傳。

對6件試驗(yàn)件進(jìn)行解剖，觀察桿端內(nèi)壁表面損傷情況和斷口情況。6件試驗(yàn)件斷裂性質(zhì)均為疲勞斷裂，裂紋均起源于桿端內(nèi)壁與軸承外圈微動磨損處，采用溫差裝配的桿端體內(nèi)壁表面未見明顯損傷，采用常溫間隙裝配的桿端體內(nèi)壁表面有少量線狀損傷(圖10)，采用常溫過盈裝配的桿端體內(nèi)壁表面線狀損傷數(shù)量最多，幾乎貫穿整個(gè)內(nèi)壁表面。所以采用溫差裝配的桿端內(nèi)壁表面損傷情況明顯優(yōu)于常溫裝配。

1.10 工藝參數(shù)和裝配方式對比分析

為排查工藝參數(shù)和裝配方式對桿端關(guān)節(jié)軸承疲勞性能的影響，取7件采用原常溫裝配(過盈量8 μm)方式的桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，在不同載荷下得到的疲勞極限等試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。從試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，7件桿端關(guān)節(jié)軸承疲勞性能分散性較大，結(jié)合金相觀察情況，得出常溫裝配疲勞性能分散性大是因?yàn)槌匮b配對關(guān)節(jié)軸承桿端體內(nèi)壁產(chǎn)生的損傷嚴(yán)重程度不一致造成的。

圖10 桿端內(nèi)壁少量線狀損傷形貌Fig.10 Linear damage appearance of inner wall

Load seriesLoad /NCycle number1#2#3#4#5#6#7#12 100±5 6001×1061×10622 520±6 7201×1061×10633 024±8 0641×1061×1061×1061×1061×1061×1061×10643 629±9 677329×103573×1031×1061×106513×1031×106530×10354 355±11 612421×1031×1061×10665 226±13 9341×106580×103Fatigue limit /N6 0506 2737 3909 6766 2609 1166 219Damaged partsEarringsEarringsEarringsUnspoiltEarringsOnologyEarringsMean fatigue limit /N7158.3Reduction factor,Subsample standard deviation2.168,0.086Safety fatigue limit /N3 302.2

2 分析與討論

失效件宏觀斷口疲勞特征明顯，有疲勞源區(qū)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，疲勞擴(kuò)展充分，擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的疲勞弧線，瞬斷區(qū)面積較小，微觀觀察，在擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶，可確定斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。在斷口的側(cè)表面能觀察到紅棕色粉末，與之匹配的軸承外圈表面有損傷痕跡，由鋼上磨損產(chǎn)物是紅棕色粉末，可判斷桿端體內(nèi)壁與軸承外圈發(fā)生了微動磨損，裂紋起源于微動磨損處。

微動磨損是指兩個(gè)名義上靜配合表面由于一微小振幅的不斷往復(fù)滑動所引起的一種磨損形式。

桿端體內(nèi)壁表面與軸承外圈表面在服役時(shí)處于該種狀態(tài)，因桿端體材料性能檢測正常，化學(xué)成分符合要求，所以兩配合零件的表面加工方式及裝配方式是造成微動磨損的主要原因。

為深入分析原因，分別對同型號的國產(chǎn)疲勞試驗(yàn)件、未裝機(jī)件和進(jìn)口件進(jìn)行解剖，觀察對比桿端體內(nèi)壁表面情況，進(jìn)口件內(nèi)壁表面除沿圓周方向的機(jī)械加工痕跡外，未見明顯的其它異常痕跡，而其他內(nèi)壁表面均有沿軸向分布的線狀損傷痕跡。對比國產(chǎn)和進(jìn)口桿端體耳環(huán)內(nèi)壁表面機(jī)加工方式，國產(chǎn)件內(nèi)壁表面采用普通磨削加工，磨削方向?yàn)橹芟?，進(jìn)口件采用珩磨精加工，表面呈交叉網(wǎng)紋，減小了與軸承之間的摩擦系數(shù)，所以可優(yōu)化改進(jìn)國產(chǎn)零件內(nèi)壁表面的機(jī)加工藝。

對表面機(jī)加工藝改進(jìn)后的桿端關(guān)節(jié)軸承分別進(jìn)行常溫過盈、溫差裝配和常溫間隙3種裝配方式，其疲勞試驗(yàn)金相觀察分析結(jié)果顯示裂紋均起源于桿端內(nèi)壁與軸承外圈微動磨損處，采用溫差裝配的桿端內(nèi)壁表面損傷情況明顯優(yōu)于間隙配合和常溫裝配兩種方式。其疲勞性能試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，過盈量為8 μm常溫裝配狀態(tài)最好的疲勞性能比過盈量為12 μm溫差裝配和間隙量為20 μm常溫裝配的性能好，所以過盈量選擇5～8 μm是合理的；由于溫差裝配在裝配過程中沒有對軸承外圈構(gòu)成裝配損傷，所以間隙量為20 μm常溫裝配和過盈量為12 μm溫差狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性較好。

綜上所述，建議后續(xù)改進(jìn)措施為：桿端關(guān)節(jié)軸承的過盈量選擇5～8 μm，并采用溫差裝配工藝。

3 結(jié)論

1)零件斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，裂紋起源于桿端體內(nèi)壁與軸承外圈微動磨損處。

2)零件產(chǎn)生微動磨損與桿端體內(nèi)壁機(jī)加工方式和軸承裝配方式有關(guān)。