桿端關(guān)節(jié)軸承環(huán)形白痕分析

許世鈺

（上海市軸承技術(shù)研究所有限公司，上海 201801）

0 引言

關(guān)節(jié)軸承是一種球面滑動(dòng)軸承，其接觸表面由內(nèi)球面和外球面組成[1-2]。該類軸承承載能力大，且有一定的耐沖擊和耐磨性能，因此在航空航天、水利機(jī)械和自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。其中桿端關(guān)節(jié)軸承主要應(yīng)用在直升機(jī)的操縱和動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)中，變距拉桿帶柄桿端關(guān)節(jié)軸承是直升機(jī)操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，若失效會(huì)帶來嚴(yán)重的后果[5]。該軸承常見的失效形式為內(nèi)、外圈接觸面因摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致磨損加劇，或者軸承在長期高速擺動(dòng)狀態(tài)下在局部應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋等[6-8]。桿端關(guān)節(jié)軸承出現(xiàn)裂紋可能會(huì)帶來災(zāi)難性事故，因此分析查找失效原因?qū)ΡＵ喜倏v系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 故障件描述

變距拉桿帶柄桿端關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)外圈、桿端及自潤滑襯墊組成，內(nèi)圈使用不銹鋼G95Cr18，內(nèi)圈球面鍍氧化鋁陶瓷（Al2O3），提高了軸承耐磨損能力；外圈、桿體使用沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb；自潤滑襯墊采用FSZ-Z01襯墊，軸承具備自潤滑功能。軸承結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 帶柄軸承結(jié)構(gòu)圖

變距拉桿帶柄桿端關(guān)節(jié)軸承是直升機(jī)機(jī)體重要部件的連接支承構(gòu)件，裝配于飛行操縱系統(tǒng)。變距拉桿軸承安裝在主旋翼變距拉桿的兩端，并與主旋翼變距搖臂和自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)叉耳相連，用來傳遞槳葉到動(dòng)環(huán)的載荷，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，承受X軸方向載荷，并在載荷作用下繞Z軸擺動(dòng)。某部隊(duì)對直升機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，檢查后發(fā)現(xiàn)黑色變距拉桿上的帶柄桿端關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外球面呈現(xiàn)環(huán)形白痕，疑似存在開裂現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象前共飛行約600 h，除軸承內(nèi)圈外球面出現(xiàn)白色環(huán)形痕跡外，無其他異?，F(xiàn)象。為查明該軸承產(chǎn)生白色環(huán)形痕跡的原因，對其進(jìn)行了外觀檢查、電鏡分析以及能譜分析，最終確定了環(huán)形白痕的產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的使用建議。

2 故障分析

2.1 宏觀檢查

變距拉桿帶柄桿端關(guān)節(jié)軸承在服役600 h左右后出現(xiàn)疑似開裂的環(huán)形白痕。經(jīng)線切割后的內(nèi)圈外表面環(huán)形白痕如圖2所示，經(jīng)手觸摸，環(huán)形白痕表面光滑，沒有凹陷感。

圖2 內(nèi)圈外表面環(huán)形白痕宏觀形貌

圖3 為線切割后的桿端體，可看出除軸承內(nèi)圈外球面出現(xiàn)白色環(huán)形痕跡外，其他零部件均無異?，F(xiàn)象，軸承外圈、桿端體及自潤滑襯墊外觀均符合要求。

圖3 桿端體宏觀形貌

2.2 電鏡分析

用掃描電鏡（SEM）觀察環(huán)形白痕區(qū)域涂層微觀形貌，電鏡分析形貌圖如圖4所示，結(jié)果表明，軸承內(nèi)圈外表面白痕（部分）在電鏡下表現(xiàn)為呈帶狀分布形態(tài)的黏附物，未見開裂現(xiàn)象。

圖4 環(huán)形白痕（部分）形貌

2.3 能譜分析

選取白色環(huán)形白痕區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。由能譜及相關(guān)元素的面掃描結(jié)果可知，環(huán)形白痕是以Fe為主，含有Cr、Ni、Cu等元素的金屬黏附物形成的，說明環(huán)形白痕形成原因不是開裂，而是外界異物在接觸面長期摩擦形成的一種金屬黏附物。

圖5 白痕能譜掃描圖

3 機(jī)理分析

根據(jù)電鏡分析以及能譜分析結(jié)果，從組織結(jié)構(gòu)和桿端關(guān)節(jié)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間接觸副在往復(fù)擺動(dòng)工況下形成循環(huán)載荷，由于在局部形成圖6所示的循環(huán)應(yīng)力影響，內(nèi)圈外表面局部產(chǎn)生微觀的剪切變形。在微觀的剪切變形區(qū)域，軸承在承受循環(huán)應(yīng)力工況下，金屬表面出現(xiàn)位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，在任一方向上出現(xiàn)反復(fù)塑性變形，容易形成超微細(xì)晶粒組織，晶粒組織變化過程如圖7所示。在超微細(xì)晶粒組織的晶界上，可出現(xiàn)位錯(cuò)及空孔，最終形成微細(xì)的孔隙。當(dāng)外界異物嵌入或沾污軸承內(nèi)圈外表面時(shí)，在長期擺動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中納米級(jí)鐵素體侵入內(nèi)圈外表面局部微細(xì)的孔隙，由于循環(huán)載荷的持續(xù)不斷，鐵素體和孔隙之間一直處于納米級(jí)的“開”和“閉”狀況，導(dǎo)致鐵素體晶粒發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移后的材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成一種金屬黏附物，并且有較強(qiáng)的黏著力，最終使軸承內(nèi)圈外表面局部產(chǎn)生白色組織。

圖6 循環(huán)應(yīng)力示意圖

圖7 晶粒組織變化過程

4 結(jié)束語

桿端關(guān)節(jié)軸承除內(nèi)圈外表面出現(xiàn)環(huán)形白痕現(xiàn)象外，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求；且環(huán)形白痕不是開裂現(xiàn)象，而是外界異物進(jìn)入軸承工作面后，在長期循環(huán)載荷作用下摩擦面發(fā)生納米級(jí)的材料轉(zhuǎn)移，最終形成的一種以Fe為主，含有Cr、Ni、Cu等元素并具有較強(qiáng)黏著力的金屬黏附物。因此，判斷桿端關(guān)節(jié)軸承環(huán)形白痕形成可能與其運(yùn)行工況和使用環(huán)境有關(guān)。為避免同類現(xiàn)象的再次發(fā)生，建議定期檢查軸承所受接觸應(yīng)力情況、工作環(huán)境以及使用工況等；同時(shí)定期對軸承進(jìn)行清潔維護(hù)，在使用過程中應(yīng)加強(qiáng)對不銹鋼內(nèi)表面的保護(hù)，以防止工作臺(tái)面的異物進(jìn)入軸承內(nèi)部沾污內(nèi)圈不銹鋼外表面。