某型航空發動機主軸承異常磨損原因研究

徐 健

（海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，遼寧 沈陽 110043）

某型航空發動機主軸承異常磨損原因研究

徐 健

（海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，遼寧 沈陽 110043）

某型航空發動機主軸承在工作僅276min后，在內、外圈滾道和滾子表面出現異常劃蹭磨損痕跡，用掃描電鏡可以觀察到明顯的壓坑。經過外觀形貌觀測、尺寸測量、金相分析、能譜分析等檢測手段，確定產生異常磨損的原因是主軸承內進入了砂石顆粒，在工作中引起了主軸承的異常磨損。

航空發動機；圓柱滾子軸承；失效分析；理化分析

1 前言

某型航空發動機主軸承是航空發動機的關鍵部件之一，在高溫、受力復雜的條件下以每分鐘上萬轉高速運轉，主軸承的質量直接影響到發動機性能、壽命和可靠性[1]-[3]。該發動機主軸承在隨發動機工作僅276min后，發現軸承外滾道及滾子表面存在周向劃蹭磨損痕跡。從故障軸承的外觀形貌觀察入手，經尺寸測量、理化分析，找出了產生異常劃蹭磨損的原因。

2 軸承外觀形貌

故障軸承整體完整、表面無變色，說明軸承在工作中潤滑狀態良好[4]。外滾道表面靠近打字面一側有一條寬約3.5mm的圓周磨損痕跡，見圖1，占磨損帶圓周長度約1/5區域磨損較嚴重，且肉眼可見該部位有一處小碾壓坑，見圖2。

內圈滾道工作表面有輕微的圓周摩擦磨損痕跡，與外滾道磨損區域相對應，見圖3。

30粒滾子表面同一位置均有寬約2mm的圓周磨損，軸向分布位置與外滾道磨損位置相對應，見圖4；

圖1 外滾道表面圓周磨損痕跡

圖2 外滾道表面壓坑形貌（10倍放大圖）

圖3 內滾道表面磨損形貌

圖4 滾子表面磨損形貌

38倍掃描電鏡下觀察可見，每粒滾子的磨損圓周表面均有多處碾壓坑，且壓坑均位于同一圓周弧線上，見圖5。

總體來看，內、外滾道與滾子表面磨損位置是對應的，說明軸承運轉過程中該區域存在異常接觸現象，零件磨損部位對應情況見圖6。

圖5 滾子表面壓坑形貌

圖6 外滾道與滾子磨損痕跡對應情況

3 軸承尺寸檢測

對軸承開展相關尺寸檢測，確認軸承相關檢測項目均合格。

表1 尺寸檢測情況/μm

4 軸承理化分析

4.1 掃描電鏡觀察

制取試樣，經超聲清洗后，掃描電鏡下觀察，內、外圈滾道表面呈碾壓損傷形貌，見圖7、圖 8。

圖7 內套滾道碾壓形貌

圖8 外套滾道碾壓形貌

外圈滾道表面碾壓坑的口徑邊緣棱角較分明，呈五邊形形貌，口徑最大長約0.12mm，并可見壓坑內部有異物粘附，見圖 9。

滾子表面壓坑形貌和大小相同，壓坑邊緣棱角平直、呈五邊形形貌，口徑長約0.08mm，略小于外滾道表面壓坑，整體形貌與外滾道壓坑相似，與外滾道壓坑內部有異物情況不同的是，該滾子壓坑內部無異物粘附，坑底平整，見圖10、圖11。

圖9 外滾道壓坑放大形貌

圖10 滾子表面壓坑形貌

圖11 滾子表面壓坑放大圖片

圖12 外滾道壓坑內的異物能譜分析

4.2 能譜分析

經能譜分析確認，外滾道壓坑內部的填充物100%為碳元素，見圖12；而滾子壓坑內表面，除了基體材料元素外，未發現其他異常元素，見圖13。

圖13 滾子壓坑底部能譜分析

4.3 硬度檢測

內、外圈及滾子金相組織（見圖14～16）、硬度均符合標準規定（見表2），滾子碳化物分布均勻、大小未見異常（見圖17）。

圖14 內圈金相組織

圖15 外圈金相組織

圖16 滾子金相組織

圖17 滾子碳化物分布形態

表2 硬度及組織等級檢測情況

4.4 理化分析

軸承內、外圈及滾子的熱處理質量合格，組織、硬度均符合標準規定[5]；從外滾道表面壓坑呈五邊形規則形狀，且內部異物能譜分析100%為碳成分判斷，壓坑內部異物是砂石顆粒[6]。

5 綜合分析

經檢測分析，本次故障軸承相關尺寸及熱處理質量合格，未發現制造質量缺陷。

經理化分析，外滾道壓坑內部異物是沙石顆粒。根據外滾道僅一處較大壓坑，而每粒滾子與外滾道對應表面的壓坑較多，且與外滾道壓坑位置對應、形狀相同判斷，砂石顆粒是最先粘附在外滾道表面，因外滾道硬度略小于滾子硬度，在碾壓力的作用下，砂石顆粒被壓入外滾道表面，隨著軸承的運轉，露出外滾道表面的砂石顆粒將滾子表面硌出多個形狀、大小相近的小坑。砂石顆粒的進入除使滾道和滾子表面產生壓坑外，也使該區域工作表面接觸異常，產生劃蹭和磨損現象[7]-[11]。該砂石顆粒應是在運輸、保管或發動機裝配過程中進入的[12]。

6 分析結論

（1） 根據理化分析及相關檢測結論，未發現軸承制造質量缺陷，軸承零件熱處理質量合格，符合標準規定。

（2） 外套圈壓坑、內、外套圈滾道表面及滾子磨損現象是由軸承內進入異物引起的。

（3） 通過能譜分析及套圈和滾子表面壓坑和磨損形貌判斷，進入軸承內部的異物是硬質的砂石顆粒。

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[2]關文秀,姜濤,陶春虎,等.從失效案例分析軸承的早期失效[J].材料工程,2012(12):14-20.

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[5]梁霄,賈朝波,高福達,等.某發動機用三點接觸球軸承失效分析[J].軸承,2013(01):25-28.

[6]楊國明,劉繼東,曾華超.VB715A的主軸軸承失效分析和裝配技術[J].機床與液壓,2013(14):129-131.

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[12]王勇.防止發動機軸承失效的預防性措施[J].航空維修與工程,2010(04):42-44.

（編輯：林小江）

Research on abnormal wear cause of an aeroengine main bearing

Xu Jian
（Navy Station in Shenyang Military Representative Office on Engine, Shenyang 110043, China）

After an aeroengine main bearing had worked for 276 minutes, abnormal wear marks appeared on the inner ring, outer ring raceway and roller surface,the obvious indentation could be observed by the scanning electron microscope.Through some checking and measurring ways such as the appearance observation, size measurement, metallurgical analysis, spectrum analysis, etc. It was determined that the cause of abnormal wear was the gravel particlesthe entering main bearings to cause abnormal wear of the main bearing during working.

aircraft engine; cylindrical roller bearings; failure analysis; physical and chemical analysis

TH133.33+2，TG115.21

B

1672-4852（2014）04-0019-03

2014-09-08.

徐 健（1978-），男，工程師.