發(fā)動(dòng)機(jī)軸承外圈凸臺(tái)斷裂原因分析

劉麗玉， 金向明， 高翔宇， 劉昌奎

（1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3. 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4. 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5. 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；6. 中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲，412002）

0 引言

在組成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的眾多零部件中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承是其中的關(guān)鍵部分，也被稱(chēng)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)節(jié)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度、制造材料要求都極高[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承有著直接而緊密的聯(lián)系。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工作時(shí)將以超高的轉(zhuǎn)速在高溫、高壓下進(jìn)行工作，嚴(yán)苛的工作環(huán)境容易造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的損壞，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的后果[3-4]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效問(wèn)題上，磨損、疲勞剝落、疲勞斷裂是常見(jiàn)的幾種典型的失效模式，尤其以磨損和剝落發(fā)生的概率高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某型發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)故障的37.5%及導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)提前更換的60%以上的原因是由發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)軸承等零件的磨損類(lèi)故障引起的[5]，尤其常出現(xiàn)在內(nèi)圈、鋼球等這些滾動(dòng)體上[6-8]，但磨損或疲勞剝落的故障往往可以通過(guò)滑油光譜或者金屬碎屑來(lái)監(jiān)控[9-10]，從而防止故障進(jìn)一步發(fā)展。軸承疲勞斷裂發(fā)生的概率相對(duì)不高，但由于斷裂前往往無(wú)任何征兆，且難以監(jiān)控，一旦出現(xiàn)疲勞斷裂，直接造成零件嚴(yán)重?fù)p壞，甚至危害飛行安全；因此，研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承疲勞斷裂原因并采取預(yù)防措施，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全服役具有重要的工程意義。

一般來(lái)說(shuō)，疲勞斷裂往往多發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，對(duì)于軸承上的一些靜子件，如內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)外圈不動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，外圈為靜子件，一般不承受交變應(yīng)力；但對(duì)于帶彈支結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)會(huì)通過(guò)彈支結(jié)構(gòu)傳遞給機(jī)匣，與彈支配合的軸承外圈不可避免要承受一定的振動(dòng)應(yīng)力[11-12]，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承設(shè)計(jì)、制造和裝配上應(yīng)該尤為重視。

該故障軸承為彈支軸承，發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)內(nèi)試車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)金屬屑報(bào)警，停車(chē)分解檢查發(fā)現(xiàn)軸承外圈凸臺(tái)斷裂。故障軸承經(jīng)歷2次拆裝。第一次拆裝僅用于調(diào)試，未工作；第二次拆裝后軸承累計(jì)工作約 26 h 33 min。本研究采用目視和 LEICA DMS 1000體視顯微鏡對(duì)軸承外圈及配合該彈支進(jìn)行外觀(guān)觀(guān)察和痕跡分析，采用CS3100掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析，檢查外圈材質(zhì)組織和硬度，分析軸承外圈凸臺(tái)的斷裂性質(zhì)和原因，并提出解決措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀(guān)分析

軸承為圓柱滾棒軸承，軸承外圈與彈支過(guò)渡配合，軸承外圈帶一個(gè)軸向凸起的凸臺(tái)，軸承彈支內(nèi)有一周向臺(tái)肩（與軸承外圈后端面貼合），臺(tái)肩上周向均布4個(gè)卡槽，裝配時(shí)軸承外圈凸臺(tái)插入彈支卡槽中起周向定位功能，且每次裝配時(shí)軸承外圈凸臺(tái)為隨機(jī)裝入其中一個(gè)卡槽（圖1）。

圖1 軸承和彈支配合結(jié)構(gòu)Fig.1 Contact structure of bearing and elastic support

試車(chē)后軸承外圈凸臺(tái)斷裂，斷口兩側(cè)斷裂位置基本處于凸臺(tái)根部，中部高，呈現(xiàn)山峰狀斷裂輪廓（圖2）。除此外，軸承其他零件未見(jiàn)損傷，且轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，保持架仍保持新鮮的鍍銀色。在斷裂凸臺(tái)處的一段外圈表面相比于其他位置可見(jiàn)明顯的高溫色，高溫色以凸臺(tái)位置為中心，沿周向朝兩側(cè)輻射擴(kuò)散，且凸臺(tái)附近的軸承前端面（與彈支內(nèi)臺(tái)肩接觸面）還可見(jiàn)明顯的微動(dòng)磨損和金屬粘附痕跡（圖3）。

彈支臺(tái)肩上均布的4個(gè)U型狀卡槽，其中2個(gè)卡槽在兩側(cè)底部倒圓處可見(jiàn)明顯的擠壓損傷，另2個(gè)完好（圖4）。2個(gè)有擠壓損傷的卡槽分別對(duì)應(yīng)軸承2次拆裝時(shí)凸臺(tái)插入位置，擠壓嚴(yán)重，且附近端面有金屬粘著的卡槽為第二次裝配且經(jīng)歷試車(chē)的裝配位置，未裝配的2個(gè)卡槽完好，未見(jiàn)損傷。由此可知，卡槽在裝配時(shí)就存在裝配干涉導(dǎo)致的早期擠壓損傷，工作時(shí)存在擠壓損傷加重。擠壓損傷的形貌在彈支卡槽和凸臺(tái)殘骸上互相匹配（圖5）。

圖2 外圈凸臺(tái)斷裂（斷口拼湊）外觀(guān)Fig.2 Fracture appearance of the lug boss of outer ring (put fractures together)

圖3 軸承端面上的金屬粘附Fig.3 Metal attachment bearing surface

1.2 斷口分析

斷口右側(cè)斷面擴(kuò)展面積大，可見(jiàn)多條疲勞弧線(xiàn)，收斂于根部棱角處，對(duì)應(yīng)擠壓嚴(yán)重的棱邊。且斷面前期可見(jiàn)從磨損配合面輻射而來(lái)的高溫色。左側(cè)小弧面斷面區(qū)宏觀(guān)特征和右側(cè)斷面后期瞬斷區(qū)特征一致（圖6）。掃描電鏡微觀(guān)分析可知，右側(cè)斷面起源于彈支貼合面和側(cè)面的交界棱邊根部上，源區(qū)可見(jiàn)明顯的擠壓變形損傷，沿著擠壓變形區(qū)域呈現(xiàn)線(xiàn)性起源，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶，瞬斷區(qū)可見(jiàn)韌窩形貌（圖7a）。右側(cè)斷面起源于另一側(cè)彈支貼合面和側(cè)面的交界棱邊，但斷面上未見(jiàn)典型的疲勞特征，呈現(xiàn)快速擴(kuò)展的特征形貌（圖7b）。因此，斷口分析表明，軸承外圈凸臺(tái)為疲勞斷裂，斷口起源于凸臺(tái)側(cè)面棱邊根部，源區(qū)可見(jiàn)與彈支擠壓磨損變形損傷。

1.3 彈支倒圓圓角檢查

采用體式放大鏡測(cè)量彈支的卡槽倒圓處圓角尺寸，第二次裝配試車(chē)時(shí)安裝卡槽圓角R約為1.28 mm，未裝配過(guò)的卡槽兩側(cè)圓角R分別約為1.14、1.07 mm。該卡槽圓角的圖紙要求為 0.6 mm，從測(cè)試結(jié)果的偏差量看，彈支卡槽圓角尺寸與圖紙要求尺寸應(yīng)存在較大的差異。

圖4 卡槽輪廓形貌Fig.4 Morphology of groove

圖5 匹配的擠壓磨損形貌Fig.5 Extrusion and wear morphology of contact

圖6 斷口宏觀(guān)形貌Fig.6 Macroscopic morphology of the fracture

2 裂紋性質(zhì)及原因分析

軸承外圈凸臺(tái)斷裂，斷口宏觀(guān)可見(jiàn)疲勞弧線(xiàn)，微觀(guān)可見(jiàn)疲勞條帶；因此，軸承外圈凸臺(tái)斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

軸承外圈疲勞起源于彈支貼合面和側(cè)面的交界棱邊根部，源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷，但可見(jiàn)明顯的擠壓變形損傷，而從外圈凸臺(tái)痕跡上看，彈支貼合面和2個(gè)側(cè)面的交界棱邊上出現(xiàn)明顯的擠壓損傷，且在對(duì)應(yīng)的彈支卡槽處也可見(jiàn)匹配的擠壓損傷。而這種擠壓損傷在另一個(gè)裝配調(diào)試時(shí)裝配卡槽上也存在，說(shuō)明軸承在裝配時(shí)凸臺(tái)和彈支卡槽出現(xiàn)干涉。從軸承外圈凸臺(tái)和彈支卡槽配合形狀上看，外圈凸臺(tái)未倒角，為直邊結(jié)構(gòu)，而卡槽底部為U型倒角結(jié)構(gòu)，兩者配合尺寸不當(dāng)時(shí)，裝配時(shí)凸臺(tái)底部和卡槽底部倒角處就會(huì)出現(xiàn)干涉（圖8）。若設(shè)計(jì)時(shí)凸臺(tái)徑向深度固定，則彈支卡槽底部倒角越大，更易干涉（圖9）。從實(shí)物尺寸看，故障件加工卡槽圓角R明顯大于圖紙要求，軸承外圈凸臺(tái)和彈支卡槽出現(xiàn)裝配干涉。當(dāng)出現(xiàn)裝配干涉時(shí)，軸承外圈凸臺(tái)和彈支卡槽處于一種異常緊配合狀態(tài)，不僅在裝配時(shí)產(chǎn)生擠壓預(yù)損傷，而且在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)工作過(guò)程中，會(huì)給外圈凸臺(tái)附加很大的裝配應(yīng)力和動(dòng)不平衡力，導(dǎo)致外圈凸臺(tái)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和擴(kuò)展。從痕跡上看，該位置的接觸棱邊不僅出現(xiàn)明顯的擠壓損傷，還產(chǎn)生明顯的溫升、彈支和軸承外圈貼合面還存在微動(dòng)磨損和金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，這些痕跡也進(jìn)一步驗(yàn)證這種裝配干涉導(dǎo)致軸承在工作過(guò)程中承受附加應(yīng)力。

3 改進(jìn)措施

圖7 斷口微觀(guān)形貌Fig.7 Microscopic morphology of fracture

圖8 軸承外圈凸臺(tái)和彈支卡槽配合狀態(tài)Fig.8 Contact state between lug boss of bearing outer ring and the groove of elastic support

圖9 卡槽底部倒角對(duì)裝配干涉的影響Fig.9 Influence of the groove bottom chamfering size on the assembly interference

工作過(guò)程中，軸承外圈與彈支相對(duì)靜止，兩者 之間主要通過(guò)過(guò)渡配合來(lái)達(dá)到防轉(zhuǎn)功能，軸承外圈凸臺(tái)僅起定位作用；因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不需要考慮過(guò)大的承力功能，基本僅需考慮不造成裝配干涉即可。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)上，只要彈支卡槽深度明顯較凸臺(tái)高度深，外圈凸臺(tái)和彈支就很難發(fā)生接觸，不會(huì)造成裝配干涉；因此，后續(xù)的改進(jìn)措施，通過(guò)加大卡槽深度，采取卡槽不倒角、軸承外圈凸臺(tái)倒角的結(jié)構(gòu)方式，避免出現(xiàn)裝配干涉，可預(yù)防此類(lèi)故障。

4 結(jié)論

1）軸承外圈凸臺(tái)斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

2）軸承外圈凸臺(tái)斷裂是由于凸臺(tái)和彈支卡槽配合尺寸及形狀不當(dāng)，造成裝配干涉，導(dǎo)致軸承凸臺(tái)出現(xiàn)預(yù)損傷，并給工作過(guò)程中的軸承帶來(lái)附加應(yīng)力。

3）加大卡槽深度，采取卡槽不倒角、軸承外圈凸臺(tái)倒角的結(jié)構(gòu)方式，可避免出現(xiàn)裝配干涉。