火箭發(fā)動機(jī)低溫高速軸承失效機(jī)理及改進(jìn) 設(shè)計

李 亮，李鴻亮，李愛民，許開富，段逸飛，胡 甫

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039； 2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100）

1 引言

超低溫軸承對高速旋轉(zhuǎn)的渦輪泵轉(zhuǎn)子起支撐作用，其性能和可靠性對火箭動力系統(tǒng)至關(guān)重要，軸承應(yīng)用的超低溫環(huán)境，導(dǎo)致了無任何有效的液體潤滑，在工作期間還施加了超低的深冷溫度、重的瞬時載荷以及鋼球與溝道接觸產(chǎn)生的高的閃溫，盡管使用了現(xiàn)有最好的材料、制造工藝、安裝與維護(hù)技術(shù)，軸承還是暴露出套圈的燒傷、磨損、鋼球表面發(fā)烏或發(fā)烏環(huán)帶、保持架磨損等異?，F(xiàn)象而失效。

國內(nèi)外學(xué)者從理論和試驗(yàn)兩個方面開展大量超低溫軸承的研究，取得很多有益的研究成果，楊鐵濱、王黎欽等分析了超低溫重載工況下陶瓷球失效原因，對發(fā)生局部剝落的陶瓷球進(jìn)行宏觀、微觀斷口顯微分析和金相分析，得出失效的原因是陶瓷球表面存在的裂紋擴(kuò)展，文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步闡明了陶瓷球表面裂紋的擴(kuò)展方式是以表面二次裂紋的擴(kuò)展為主；Lewis研究中心研究表明PTFE是超低溫軸承中應(yīng)用最多的自潤滑材料，該材料的低強(qiáng)度、受載后冷流動和導(dǎo)熱性差的特性限制了PTFE在高速重載軸承中的應(yīng)用；李鴻亮、張旭等針對某渦輪泵角接觸球軸承臺架試驗(yàn)后鋼球表面出現(xiàn)環(huán)帶進(jìn)行了 分析。

在擬動力學(xué)模型理論研究方面，HARRIS等提出了高速重載工況下預(yù)測滾動軸承打滑的理論方法以及鋼球在外圈滾道上做純滾動的外圈控制理論模型。上述主要集中在超低溫軸承的陶瓷球、保持架以及轉(zhuǎn)移固體潤滑膜的摩擦磨損等方面的失效分析及試驗(yàn)研究，取得了成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但均未從低溫高速工況角度出發(fā)，考慮低溫軸承特有的潤滑方式，并結(jié)合軸承設(shè)計參數(shù)，對軸承失效機(jī)理進(jìn)行量化分析和有效改進(jìn)。

為此，本文針對某型超低溫高速軸承套圈的燒傷、磨損、鋼球表面發(fā)烏等失效問題，進(jìn)行了失效分析，并以提高鋼球的拖動力為約束條件，開發(fā)低溫高速軸承性能擬動力學(xué)仿真分析程序，對軸承失效機(jī)理進(jìn)行分析，基于獲得軸承失效的問題定位，對軸承的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為該類軸承的極限設(shè)計提供理論支撐。

2 某型超低溫高速軸承失效分析

某型超低溫高速軸承QJS222工作在超低溫、固體潤滑、重載等惡劣工況下，軸承采用雙半內(nèi)圈三點(diǎn)接觸式外導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，具體工況條件及主要參數(shù)見表1。

表1 QJS222軸承工況條件

2.1 外觀宏觀檢查

QJS222軸承低溫臺架試驗(yàn)后照片如圖1所示，試驗(yàn)后軸承內(nèi)圈運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)帶上嚴(yán)重磨損，鋼球表面存在明顯的磨損發(fā)烏環(huán)帶運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，均有不同程度的剝落，局部燒傷。

圖1 低溫臺架試驗(yàn)后QJS222軸承套圈和鋼球外觀形貌

體視顯微檢查發(fā)現(xiàn)，一粒鋼球整個表面均分布黑色環(huán)帶，可見無序的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡；另外一粒鋼球局部有一條寬度約10.8 mm寬的黑色環(huán)帶，其余區(qū)域顏色光亮，將疑似缺陷進(jìn)行標(biāo)記，如圖2所示。

圖2 兩粒鋼球宏觀形貌

2.2 掃描電鏡和能譜分析

1）將圖2中兩粒鋼球經(jīng)超聲波清洗烘干后，放置在掃描電鏡中進(jìn)行觀察，由觀察可知，發(fā)黑鋼球表面1標(biāo)記處存在擦傷，缺陷尺寸為32.9μm×44.1μm。發(fā)黑鋼球表面2標(biāo)記處無明顯損傷。鋼球黑色環(huán)帶表面存在劃傷及小的剝落坑，剝落坑尺寸為155.4μm×95.1μm，且周圍有一條裂紋。

2）分別對圖2中兩粒鋼球缺陷附近進(jìn)行能譜分析，結(jié)果主要為鐵、鉻、銀及氧等元素，說明鋼球表面已形成銀轉(zhuǎn)移膜。

2.3 硬度檢測

將圖2中兩粒鋼球分別進(jìn)行硬度檢測，采用洛氏硬度計，載荷為150 kg，位置為表面，由檢測結(jié)果可知，鋼球硬度及同一零件硬度差均符合JB/T1460—2011要求，且黑色環(huán)帶鋼球不同顏色區(qū)域的硬度值差別不大。

3 機(jī)理分析

鋼球硬度及均勻性檢測結(jié)果說明軸承質(zhì)量滿足設(shè)計要求，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程能夠形成轉(zhuǎn)移潤滑膜，掃描電鏡結(jié)果為軸承失效，表征為軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的滑動，產(chǎn)生大量的摩擦發(fā)熱，這與軸承的接觸應(yīng)力、旋滾比以及保持架的打滑率等性能參數(shù)關(guān)聯(lián)，為此，對影響軸承性能的參數(shù)進(jìn)行分析，利用自主開發(fā)的低溫軸承性能擬動力學(xué)仿真分析程序，分析了轉(zhuǎn)速為16 500r/min瞬時穩(wěn)態(tài)工況下QJS222軸承鋼球與內(nèi)圈和外圈的接觸應(yīng)力如圖3所示，鋼球滑差率和保持架的打滑率如圖4所示，鋼球旋滾比如圖5所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)瞬時工況鋼球與內(nèi)外圈接觸應(yīng)力

由圖3可知，鋼球與內(nèi)外圈的接觸應(yīng)力均小于 3 000 MPa，滿足許用應(yīng)力4 200 MPa的要求。

圖4中瞬時穩(wěn)態(tài)工況鋼球的公轉(zhuǎn)速度滑差率在0.75與0.95之間，保持架的打滑率小于0.85（實(shí)際速度相對與理論速度的變化量），均較好的控制在5%以內(nèi)，說明鋼球滑差率和保持架的打滑率不是引起軸承失效的主要原因，另外，圖5中鋼球的最大旋滾比為0.36，小于經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)0.4，不足以引起軸承失效。分析認(rèn)為，失效原因可能是在滾動向上的滑動增大，為此，仿真分析了主動圈對每粒鋼球的拖動力，如圖6所示，其中在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)過程兩粒鋼球的拖動力小于0，從鋼球的受力分析結(jié)果可知，至少在有兩粒鋼球的位置處由于拖動力不足，在滾動方向上滑動摩擦加劇，增大了摩擦發(fā)熱，從而導(dǎo)致鋼球外觀異常。綜上分析，認(rèn)為該軸承失效的主要原因是軸承的拖動力不足，軸承性能有待提升。

圖4 穩(wěn)態(tài)瞬時工況鋼球和保持架打滑率

圖5 瞬時穩(wěn)態(tài)工況鋼球旋滾比

圖6 主動圈對鋼球的拖動力

4 改進(jìn)后軸承性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 性能分析

根據(jù)QJS222軸承機(jī)理分析及問題定位，以低溫軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時鋼球拖動力大于0為約束條件，對軸承的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果見表2。

表2 QJS222軸承改進(jìn)后參數(shù)

運(yùn)用低溫軸承性能擬動力學(xué)仿真分析程序，對改進(jìn)后QJS222軸承性能進(jìn)行仿真分析，其中鋼球與內(nèi)圈和外圈的接觸應(yīng)力、鋼球滑差率和保持架的打滑率以及鋼球旋滾比等均滿足設(shè)計要求。每粒鋼球的拖動力如圖7所示，與圖6對比，改進(jìn)后QJS222軸承主動圈對鋼球的拖動力得到了提高，滿足了大于0的要求，減小了因鋼球在溝道上的滑動摩擦熱，提升了軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

圖7 改進(jìn)后軸承主動圈對鋼球的拖動力

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用相同的試驗(yàn)裝置，如圖8所示，對改進(jìn)后QJS222軸承進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在試驗(yàn)整個過程中穩(wěn)定平穩(wěn)，無異常，正常停車，對試驗(yàn)后軸承進(jìn)行分解，清洗后檢查宏觀形貌如圖9所示。

圖8 低溫高速軸承臺架試驗(yàn)示意圖

圖9 改進(jìn)后QJS222軸承試驗(yàn)后套圈和鋼球外觀形貌

由圖9可知，套圈運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)帶正常、光亮，鋼球表面光亮，軸承未出現(xiàn)磨損、發(fā)烏等失效現(xiàn)象，改進(jìn)后軸承通過了試驗(yàn)考核，說明軸承失效機(jī)理分析合理，問題定位準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

基于試驗(yàn)后超低溫軸承QJS222的失效分析，利用開發(fā)的低溫高速軸承性能擬動力學(xué)仿真分析程序，對影響試驗(yàn)軸承的接觸應(yīng)力、旋滾比、保持架及鋼球的打滑率等性能參數(shù)進(jìn)行了機(jī)理分析，在此基礎(chǔ)上對軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）QJS222軸承失效機(jī)理分析正確，問題定位準(zhǔn)確，以提高主動圈對鋼球拖動力為改進(jìn)設(shè)計控制指標(biāo)合理、可行；

2）針對低溫高速軸承性能的提升，國內(nèi)首次提出以主動圈對鋼球的拖動力為控制指標(biāo)之一，對高溫高速軸承的設(shè)計具有重要的借鑒意義。