發動機主軸軸承外圈開裂故障分析

梁霄，張友輝，賈朝波，高福達，趙寧寧

(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)

發動機主軸軸承是影響發動機壽命與可靠性的重要因素之一[1]。軸承故障種類繁多，其中套圈、保持架開裂、斷裂是較常見的故障，危害性較大。某型發動機主軸軸承為外圈帶安裝邊的雙半內圈三點角接觸球軸承，工作過程中承受較大的軸向和徑向載荷。發動機在外場使用過程中發生了高壓轉子抱軸故障，必須返廠修理，更換新軸承并進行附加試車，不僅造成很大的經濟損失，而且耗時，影響外場正常使用。因此，從故障檢查和理化檢測入手，分析故障產生機理和原因，并提出相應的預防和控制措施。

1 故障特征

(1)外圈。故障軸承外圈表面顏色發黑，伴有潤滑油氧化色，主承力一側擋邊被整周拉斷，外圈斷成2部分，斷口較平整，故障形貌如圖1所示。其中,圖1a為外圈承力擋邊整周剝落形貌；圖1b為外圈擋邊斷裂處形貌。

圖1 外圈一側擋邊整周開裂形貌

(2)鋼球。故障軸承整組鋼球均有不同程度磨損，其中有1粒鋼球與其他鋼球有明顯區別，出現嚴重磨損剝落，其故障形貌如圖2所示。

圖2 鋼球磨損剝落形貌

(3)保持架。保持架整體顏色呈褐色，存在潤滑油氧化結焦現象，內壁有很深的摩擦痕，在保持架18個兜孔中有1個產生較明顯的偏磨痕跡，內孔兩側有輾壓飛邊，工作面相對其他內孔偏磨很大，向孔內壁壓入的圓弧面明顯。其故障形貌如圖3所示。

圖3 保持架磨損形貌

(4)內圈。故障軸承內圈外形基本保持原狀，但溝道表面嚴重磨損并產生輾壓飛邊，表面粗糙，且工作面上有一大一小2處輾壓剝落后又被輾平的形貌。其故障形貌如圖4所示。

圖4 內圈溝道剝落形貌

2 故障分析

發動機主軸軸承的受力較復雜，不僅承受高壓轉子自身的軸向力，還承受來自低壓轉子的軸向力。軸承出現早期損壞〔2〕，必然存在一定程度的異常情況。首先對發動機裝機情況進行詳細復查，結果各參數未見異常。

2.1 理化檢測分析

斷口分析一般包括宏觀分析與微觀分析2個方面[3]，對故障軸承進行理化檢驗，分析故障原因。

2.1.1 宏觀檢查

(1)外圈。故障軸承外圈沿周向斷裂成2部分，斷口顏色為灰黑色，斷口面多處磨損，外圈引導面也有多處輾壓痕跡。疲勞斷口占整個斷口的20%左右(圖5)；疲勞源位于工作面上某輾壓剝落向內延伸處，其局部放大圖如圖5b所示。

圖5 外圈斷口源區及局部放大圖

(2)鋼球。故障軸承共有18個鋼球，除1粒有嚴重磨損、剝落外，其余外觀形貌均正常。磨損、剝落鋼球的大半表面都有壓痕和剝落痕跡(圖2)，已發生變形。

2.1.2 微觀檢查

(1)外圈。用掃描電鏡觀察外圈斷口源區形貌。源區側面正好是工作面(接觸疲勞剝落位置)，剝落呈三角形，如圖6所示。剝落后的基體已基本被輾平(圖7)。

圖6 斷口源區側面疲勞剝落形貌

圖7 剝落后的基體形貌

剝落的一條裂紋向外圈基體延伸，并在外圈工作面下形成一個線性疲勞源。疲勞由內向外并向兩側擴展，擴展區較平坦，也有輾壓痕跡，具有疲勞特征。疲勞源區形貌如圖8所示，疲勞弧線形貌如圖9所示。外圈工作面接觸疲勞剝落及向基體延伸的疲勞源區均未見材料冶金缺陷。

圖8 外圈斷口源區形貌

圖9 疲勞弧線形貌

(2)鋼球。鋼球的剝落也為接觸疲勞剝落，圖10為其中幾個剝落部位微觀形貌，剝落區均未見材料冶金缺陷。

圖10 鋼球接觸疲勞剝落處形貌

2.1.3 硬度檢查

可用靜態或動態的方法測量硬度[4]。取軸承內圈和1粒正常鋼球分別對不同部位進行硬度檢查，結果未見異常(表1)。

表1 硬度檢測結果 HRC

2.1.4 成分分析

利用能譜儀對產生嚴重磨損的鋼球進行成分分析，結果未見異常，鋼球成分符合要求。

2.2 故障特性分析

通過以上分析，不難看出故障軸承的1粒鋼球具有特殊性，故對該粒鋼球單獨進行分析。鋼球表面較常見的故障主要有原材料表面裂紋、冷熱加工折疊、淬火裂紋、砂輪擠傷、腐蝕斑點和軟磨金屬疲勞等[5]。故障鋼球上的剝落為接觸疲勞剝落，從鋼球缺陷的微觀形貌看，主要原因可能是冷、熱加工折疊，即沖壓折疊所致。因此，外圈開裂與鋼球剝落導致外溝道磨損有關，因為外圈斷裂也為疲勞斷裂，排除了裝配不當、供油不暢等其他因素。

3 故障機理及預防措施

引起軸承零件斷裂和開裂的原因，可認為是零件的實際載荷超過(或至少在局部區域)其強度，但也可能與其他因素，如過熱、磨損和片狀剝落有關[6]。本例軸承開裂系其中1粒鋼球剝落后對外溝道產生異常刮磨(車削)所致。

軸承長期處于高速運轉狀態下，鋼球既有公轉又有自轉，相對于溝道更易發生接觸疲勞，可能存在沖壓折疊缺陷的鋼球，折疊部位會產生應力集中，最終導致疲勞剝落。剝落可能有3種情況：(1)完全剝落，鋼球剝落處形成的凹坑邊緣缺陷對外溝道產生高速“車削”；(2)完全剝落且剝落物黏附于保持架兜孔與鋼球的間隙處；(3)未完全剝落且剝落物被保持架夾住。后2種情況的結果是剝落物相當于車刀，“車削”軸承溝道，使其形成疲勞源，在軸向力的作用下產生軸向斷裂；而1，3種情況的可能性最大。

簡言之，故障軸承中1粒鋼球首先剝落，進而對軸承外圈產生高速“車削”，外圈異常磨損，產生應力集中，進而在軸向力的作用下發生軸向開裂。

建議采取的預防控制措施為：

(1)加強軸承外觀檢查，必要時利用無損檢查技術做進一步的判別；

(2)增加潤滑油光譜分析及振動測試分析。

4 結束語

鋼球疲勞剝落是軸承外圈開裂故障的根源，鋼球疲勞剝落使外溝道產生異常磨損、最終導致外圈軸向斷裂。本起故障應為偶發事件。通過采取相應的控制措施后，再無類似問題出現。