某發動機用三點接觸球軸承失效分析

梁霄，賈朝波，高福達，魏濤

(1.沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽 110862;2. 駐沈陽黎明發動機制造公司軍事代表室，沈陽 110043)

發動機主軸軸承質量是影響發動機壽命與可靠性的重要因素之一。飛機在飛行過程中，如果發動機主軸軸承發生故障，其后果不堪設想[1]。某部雙座機當日飛行第4個架次，左發空中報“降轉”信號，飛行員將油門拉至慢車，降轉信號仍不消失，發動機拉停。著陸后地面潤滑油光譜分析Fe含量嚴重超標，高壓轉子無法搖轉，油濾及金屬屑末信號器附著大量金屬屑末。復查故障次飛行發生前的潤滑油光譜檢查結果均符合要求，無異常的超標和增長跡象。為此，決定將該發動機返回廠內開展相關的分析研究工作。

該發動機返廠后按大組合件分解檢查發現三點接觸球軸承失效，軸承保持架碎裂，中腔潤滑油系統相關部件異常。通過進行理化檢測，著重分析了故障痕跡和相關的異常部件，以找出軸承保持架碎裂故障的主要原因。

1 故障類型

1.1 軸承失效

分解檢查發現：發動機高壓轉子三點接觸球軸承失效，保持架碎裂，部分鋼球磨損，套圈溝道表面有擠壓痕跡，如圖1和圖2所示。

圖1 保持架碎裂形貌

圖2 鋼球、套圈故障形貌

1.2 相關部件異常

發動機進行分解后，在中介機匣潤滑油腔下部回油濾網附近發現螺釘2個、壓板1個、墊片1件、大量金屬屑及金屬碎塊若干，故障形貌如圖3所示。中央傳動錐齒輪下方封氣工藝堵蓋、螺釘及墊片脫落，故障形貌如圖4所示。

圖3 中介機匣內的碎屑

圖4 封油擋板脫落

2 故障分析

只要選型得當，維護和潤滑良好，滾動軸承使用壽命一般均大于其計算壽命。但由于使用過程中受各種因素的影響，有時會出現意料以外的早期損壞[2]。

保持架材料本身強度并不高且屬薄壁件，在運動過程中一旦變形過大，即使本身不發生疲勞開裂，保持架本身的變形也可以使滾動體承受的載荷失去均勻性，從而使保持架發生疲勞斷裂[3]。

2.1 軸承結構及潤滑分析

三點接觸球軸承裝配在某發動機高壓壓氣機前支點上,內圈旋轉。該軸承的潤滑冷卻采用端面噴射加環下潤滑的復合供油方式，前后共有3個噴嘴，前后2個端面的噴嘴將滑油噴入軸承內圈與保持架之間，軸承的前端有收油環，將前端噴嘴噴入的滑油傳遞至軸承內圈進行環下潤滑(圖5)。

圖5 軸承潤滑方式

2.2 理化分析

對分解后的三點接觸球軸承內圈、外圈、鋼球及保持架 (內、外圈和鋼球材料為Cr4Mo4V；保持架表面鍍銀處理，材料為40CrNiMoA) ，中央傳動齒輪機匣等損傷件和發現的碎塊、金屬絲以及外場、廠內分解時收集到的金屬碎屑、油液進行了理化檢驗和分析。

2.2.1 碎屑檢驗

對滑油濾、金屬屑末報警器、磁塞上以及中介機匣中收集到的碎屑進行了能譜檢查，其中主要的成分為Cr4Mo4V，1Cr13，40CrNiMoA和Ag。

2.2.2油液檢查

對外場收集的滑油進行理化性能檢測分析，結果見表1。運動黏度和酸值兩項指標均在標準要求范圍內。

表1 滑油分析結果

2.2.3 失效軸承檢查

(1)失效軸承內、外圈溝道表面存在明顯的凹坑，在掃描電鏡下放大觀察，應為滾動接觸疲勞所產生的剝落，溝道剝落形貌如圖6所示。

圖6 失效軸承套圈溝道剝落形貌

軸承內、外圈的基體硬度符合標準要求。外圈溝道面和引導面處發現明顯的淬火層，外圈引導面的二次淬火層厚度約3～3.5 mm，溝道面二次淬火層約1～1.5 mm。檢查表明，外圈引導面和溝道均由于發生了嚴重的磨損而產生了高溫。

(2)保持架兜孔工作面及外徑引導面均有嚴重磨損，超過1/2厚度的保持架出現過熱現象。保持架與鋼球接觸的工作面存在過熱區，保持架的外引導面也存在過熱區，圖7中白色區域為保持架過熱區。

圖7 保持架外引導面和兜孔過熱痕跡

對保持架兜孔和引導面進行了顯微硬度檢測，結果見表2和表3。

表2 保持架較大碎塊顯微硬度

表3 保持架后端面T形碎塊顯微硬度

從顯微硬度檢測結果可以看出，保持架與鋼球接觸的工作表面由于摩擦導致過熱，溫度超過相變溫度，表面出現淬火現象，導致硬度升高，最高達到了554 HV；與外圈接觸的保持架引導面由于刮擦導致溫度更高，其硬度也更高，最高達到了781 HV。

由于所有保持架碎塊的引導面均存在兩條磨溝，判斷保持架外徑表面的兩條磨溝發生在保持架斷裂之前。保持架斷口大部分碰磨，斷口特征不明顯，相對保存完好的斷口為疲勞斷口，在斷口處未發現存在氫脆斷口。

橫梁斷口和側梁斷口均有多源疲勞，疲勞均起始于兜口工作面，疲勞弧線細密(圖8)；側梁斷口幾乎完全磨損，隱約可見疲勞弧線特征，從疲勞弧線方向判斷，疲勞主要起源于兜孔內表面中心區域，疲勞弧線同樣細密。

圖8 保持架橫梁斷口放大形貌

保持架后端面所有碎塊均有密集分布的撞擊痕跡，撞擊處經能譜分析主要為Ag和基體金屬元素，局部有少量的O,C,Al,Si,Mg和Ti，見表4。

表4 保持架后端面金屬元素

2.3 潤滑條件復查

2.3.1 噴嘴堵塞檢查

現場選用Φ1.2 mm的保險絲對噴孔進行檢查，均可自由進入，并無堵塞現象。

2.3.2 噴嘴流量及噴射方向復測

復查了工廠裝配時的噴嘴流量試驗記錄，所有噴嘴流量和方向均合格。分解后又進行了滑油流量及噴射方向的復測試驗，所有噴嘴的滑油流量均合格。由于前噴嘴3814和后噴嘴3817變形，試驗時滑油噴射方向略有偏轉，但基本仍向軸承供油。結合滑油壓力測試結果，表明失效軸承潤滑冷卻情況良好。

2.4 載荷分析

(1)外場載荷復查。載荷統計結果表明，所有機動載荷均在設計要求范圍內。

(2)中央錐齒輪附加載荷復查。對中央齒箱齒輪印痕原始情況進行復查，符合要求。

(3)軸向載荷。經復查，故障發動機影響高壓轉子軸向力的相關封嚴件裝配前尺寸均符合要求，不存在軸向力過大的情況。

3 故障模擬試驗

失效分析的理想目標應當是“模式準確，原因明確，機理清楚，措施有力，模擬再現，舉一反三”[4]。為模擬出保持架故障形式，在某軸承試驗臺上進行了模擬試驗。

3.1 同批次軸承試驗

為了驗證軸承質量是否有問題，首先選用與故障軸承同批生產的軸承，在試驗機臺模擬相同工況試驗3 h，試驗過程中潤滑油溫度、轉速均正常。分解檢查被試軸承未見異常，初步排除了軸承質量問題。另外，從多套與故障軸承同批生產的軸承現場使用情況良好這一事實，也證明了軸承質量沒有問題。

3.2 開口保持架試驗

為模擬保持架初始裂紋對軸承的危害，將保持架一兜孔單邊側梁割斷，試驗約1 h后，軸承溫度急升至315 ℃，設備過載保護停車。分解發現，開口兜孔對側保持架斷裂，斷口兩側變為黑色，個別保持架兜孔磨損稍重，保持架外徑局部區域磨損；個別鋼球有高溫工作現象和極頂磨損，溝道表面、鋼球外觀基本正常；外圈引導面有磨損，但未能再現故障保持架碎裂形貌。

3.3 淬火保持架試驗

為模擬淬硬的保持架對軸承的危害，對保持架進行淬火試驗，硬度約55.3 HRC，保持架外徑尺寸發生變化，與外圈引導面之間有輕微卡滯。試驗進行13 h后，軸承溫度達到320 ℃，轉速自然下降，經不斷調整，繼續進行試驗約2 h后，試驗臺出現空轉。

分解發現：保持架碎裂，共找到38個保持架碎塊，僅有1個橫梁未斷裂，呈“工”字形，其余碎塊呈T形；外表面有未完全斷裂的穿透性裂紋，說明保持架側梁先于橫梁斷裂，軸承外圈溝道呈熔融態，引導面基本磨光；前半內圈斷裂成許多碎塊，后半內圈溝道呈熔融態，已無法分解；鋼球嚴重磨損，磨損后鋼球最大直徑約20 mm(正常鋼球直徑22.225 mm)。保持架宏觀形貌如圖9所示。

圖9 淬火保持架(試件)損壞宏觀形貌

淬火保持架試件損壞外觀形貌中，側梁斷口疲勞源及軸承內、外圈和鋼球損傷形貌均與實際軸承損壞情況極為相似。

4 失效機理分析

從保持架碎塊的理化檢查結果可知，保持架與鋼球接觸的工作區域最高硬度為554 HV(52.5 HRC)。由于保持架的外引導面磨損更加嚴重，溫度也比兜孔內的接觸區要高，其最高硬度為781 HV(63.3 HRC)。保持架外引導面與兜孔接觸區由于摩擦導致過熱，已經超過了材料的相變溫度。由于此時失效軸承的潤滑冷卻效果仍然良好，保持架產生了淬火現象，保持架材料的硬度增加，而塑性、韌度卻下降到正常值的約1/4。

軸承工作過程中所有的鋼球都會對保持架兜孔產生碰撞，這種力通常不會對保持架產生影響，但在保持架韌度大幅降低的情況下，鋼球對保持架的碰撞力就會在保持架最薄弱的位置——兜孔側梁和橫梁處造成破壞。從保持架強度計算分析結果可以看到，兜孔橫梁的強度要強于側梁的強度，這也是側梁全部斷裂而橫梁部分斷裂的原因。

本例軸承故障與以往故障不同的幾個主要原因是，異物嵌入到保持架與套圈之間的間隙處或保持架兜孔與鋼球之間(后者的可能性最大)，導致保持架偏擺，產生異常磨損，使溫度急劇升高。保持架碎裂后，其碎塊嚴重阻礙鋼球的運轉，導致鋼球與保持架以及內、外圈之間產生滑動，套圈和鋼球的溫度急劇升高，熱膨脹使部分鋼球產生卡死現象，在內、外圈之間被拖蹭擠壓，發生材料熔融和轉移現象；在鋼球和內、外圈的接觸區域形成了過熱區，導致內、外溝道表面出現擠壓變形和高溫粘結，鋼球發生嚴重變形。軸承失效后軸向、徑向游隙增大造成轉子偏轉，導致密封件產生嚴重的碰磨損傷。

5 預防措施

結合以上分析，為避免出現類似失效故障，提高三點接觸球軸承的可靠性，建議采取如下預防措施：

(1)確保裝配質量。嚴格執行裝配工藝，保證裝配質量符合要求，避免出現蓋板、密封墊及螺釘等松動脫落等問題。

(2)針對三點接觸球軸承存在外圈剝落、保持架碎裂等現象，需明確軸承成品的碳化物形態和尺寸控制要求；優化軸承零件表面精密磨削工藝；積極開展國產超純材料的應用研究。