航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)軸承故障分析

梁霄，可成河，趙四洋，趙寧寧

(1.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110862；2.駐沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司軍事代表室，沈陽(yáng) 110043)

軸承對(duì)主機(jī)的工作性能、壽命、可靠性及各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有很大影響，在某些情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承一旦失效將會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的重大事故。1985年6月20日，泛美航空公司一架波音747客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)失火，其原因就是附件傳動(dòng)機(jī)匣中的滾動(dòng)軸承損壞所致[1]。近期又發(fā)生一起航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)軸承故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)返廠排故。

下文通過(guò)對(duì)故障軸承進(jìn)行各項(xiàng)檢查，分析了軸承失效原因，并提出了針對(duì)性的預(yù)防和控制措施。

1 故障特征

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，座艙內(nèi)最小滑油壓力信號(hào)燈亮(正常應(yīng)滅)，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)滑油壓力正常。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，金屬屑末信號(hào)器濾網(wǎng)和滑油濾網(wǎng)上附著有大量金屬屑，更換滑油后地面試車，金屬屑末仍存在。滑油光譜分析，F(xiàn)e，Cu，Cr及Ag元素均超標(biāo)。進(jìn)一步分析金屬屑末成分，結(jié)果確認(rèn)為軸承材料。發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查后，發(fā)現(xiàn)附件機(jī)匣內(nèi)的角接觸球軸承失效。

附件傳動(dòng)軸承故障主要表現(xiàn)為：鋼球存在磨損、裂紋和剝落，個(gè)別鋼球表面有溝槽；內(nèi)溝道存在整周可見(jiàn)均勻的損傷痕跡，整體呈輾壓蹭傷特征；外溝道存在剝落損傷痕跡；保持架除存在輕度磨痕外基本正常。軸承零件典型故障形貌如圖1～圖4所示。

圖1 鋼球表面溝槽形貌

圖2 內(nèi)溝道輾壓蹭傷形貌

圖3 外溝道剝落損傷痕跡形貌

圖4 保持架整體形貌

2 故障分析

故障分析在某種程度上亦可稱為失效分析。失效分析的主要內(nèi)容包括明確分析對(duì)象、確定失效模式、研究失效機(jī)理、判斷失效原因及提出預(yù)防措施[2]。

通常軸承只要選型得當(dāng)，維護(hù)和潤(rùn)滑良好，其使用壽命一般均能超過(guò)計(jì)算壽命。但是在使用過(guò)程中，由于受各種因素的影響，以及可能存在的某些異常情況，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承發(fā)生意料之外的早期損壞[3-4]。

2.1 尺寸檢測(cè)

為分析故障原因，對(duì)故障軸承成品尺寸、旋轉(zhuǎn)精度、游隙和旋轉(zhuǎn)靈活性等進(jìn)行了全項(xiàng)檢測(cè)。首先用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對(duì)所有14粒鋼球的直徑進(jìn)行測(cè)量，每粒球測(cè)量3次，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，所有受檢鋼球的直徑均小于原始直徑14.22 mm，表明鋼球均有不同程度的磨損。

表1 鋼球直徑測(cè)量結(jié)果 mm

2.2 材料檢查

材料檢查的目的是分析其質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢查結(jié)果均合格，可排除軸承材料質(zhì)量問(wèn)題。其中，內(nèi)溝道表面成分的能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表中數(shù)據(jù)可知，除軸承基體元素外，還存在Ag元素，其顯然來(lái)源于保持架表面的鍍銀層。

表2 內(nèi)溝道表面能譜分析結(jié)果 w,%

2.3 宏觀及微觀檢查

2.3.1 宏觀觀察

對(duì)故障軸承鋼球、套圈和保持架等損傷特征進(jìn)行宏觀觀察。

(1)鋼球 鋼球外觀形貌如圖5所示。在所有14粒鋼球中，有11粒鋼球的損傷程度大致相同，表面均可見(jiàn)較多的剝落坑，未見(jiàn)明顯擠壓變形(圖5a)；另外3個(gè)鋼球表面除有較多的剝落坑外，可見(jiàn)1條明顯的溝槽(圖5b)。

圖5 鋼球宏觀形貌

(2)套圈 由圖6所示可知,軸承內(nèi)圈由2部分組成，雙半內(nèi)圈溝道整個(gè)圓周可見(jiàn)均勻的損傷痕跡，整體呈輾壓蹭傷特征(圖6a)，溝邊可見(jiàn)明顯的輾壓堆起形貌(圖6b)。

軸承外圈外觀如圖3所示，溝道表面存在2處損傷，長(zhǎng)度均各占圓周的1/3。損傷區(qū)未見(jiàn)明顯高溫氧化色，整體呈輾壓蹭傷特征，局部可見(jiàn)剝落坑。

(3)保持架 保持架外觀形貌如圖4所示，外圓表面沿圓周方向可見(jiàn)摩擦痕跡，其余未見(jiàn)明顯異常。

(4)異常點(diǎn)分析 由圖5可以看出，3個(gè)鋼球故障形貌比較特殊，應(yīng)為導(dǎo)致軸承失效的主要異常點(diǎn)，所以微觀分析的重點(diǎn)是鋼球。

圖6 內(nèi)圈溝道形貌

2.3.2微觀檢查

選取比較典型的1粒鋼球進(jìn)行微觀分析。鋼球溝槽中部低倍形貌如圖7a所示，高倍下呈類似褶皺的氧化皮形貌(圖7b)，溝槽邊緣可見(jiàn)撕裂特征(圖7c)。溝槽末端可見(jiàn)斷裂特征(圖8)。鋼球表面的剝落形貌如圖9a所示，并可見(jiàn)輾壓形成的彎曲折縫，其形貌疑似裂紋(圖9b)。

2.4 金相檢查

為了進(jìn)一步確定裂紋的性質(zhì)和產(chǎn)生原因，需對(duì)裂紋進(jìn)行光學(xué)金相及電子金相分析[2]。切取比較典型的1粒鋼球的溝槽截面試樣，磨拋腐蝕后用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

鋼球金相試樣浸蝕后，溝槽截面形貌如圖10所示，溝槽深度約為0.088 mm，溝槽開口較寬、末端圓鈍，溝槽位于變形流線的露頭處；溝槽兩側(cè)未見(jiàn)明顯氧化及脫碳現(xiàn)象。

圖7 鋼球表面溝槽中部形貌

圖8 溝槽末端形貌特征

對(duì)鋼球溝槽底部和邊緣進(jìn)行能譜檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)成分，剝落掉塊處無(wú)擴(kuò)展延伸現(xiàn)象，表明裂紋不是由夾雜物等冶金缺陷所致。

2.5 硬度檢測(cè)

硬度反映材料阻止壓入的能力，故硬度也反映了材料阻止磨損的能力，通常可用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)方法測(cè)量硬度[5]。選取套圈溝道指定部位和鋼球工作表面進(jìn)行檢測(cè)(每處測(cè)3點(diǎn)，取平均值)，具體檢測(cè)位置如圖11～圖13所示。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3～表5(顯微硬度應(yīng)換算成洛氏硬度)。

圖9 鋼球表面形貌特征

圖10 鋼球溝槽截面形貌

(a)內(nèi)圈A截面試樣 (b)內(nèi)圈B截面試樣

圖12 外圈金相試樣浸蝕后的宏觀形貌

由表3可知，內(nèi)溝道表面由于發(fā)生二次淬火，硬度有一定升高，內(nèi)部受熱影響區(qū)的硬度有所下降，尤其是內(nèi)圈B受熱區(qū)，硬度下降明顯。

表3 內(nèi)圈硬度檢測(cè)結(jié)果

由表4可知，外圈損傷區(qū)溝道表面硬度略低于心部，內(nèi)部受熱影響區(qū)的硬度有一定程度下降；未損傷區(qū)溝道表面硬度與心部相差不大。

表4 外圈硬度檢測(cè)結(jié)果

表5數(shù)據(jù)顯示，鋼球溝槽處硬度均有一定升高，原因是其表面發(fā)生了二次淬火；內(nèi)部受熱影響區(qū)的硬度均有較大幅度下降。

表5 鋼球硬度檢測(cè)結(jié)果

上述結(jié)果表明， 鋼球冷沖壓過(guò)程中形成的折疊缺陷是引發(fā)鋼球裂紋，最終導(dǎo)致軸承失效的主要原因。

3 故障機(jī)理分析及防控措施

軸承鋼球發(fā)生裂紋故障的原因一般有：材料不當(dāng)；載荷過(guò)大、沖擊載荷；熱處理、磨削、應(yīng)力裂紋；蠕變?cè)斐傻陌l(fā)熱；鍛造、沖壓折疊等。

鋼球加工工藝過(guò)程通常為：棒料→切成料段→冷沖成形→熱酸洗→軟磨→熱處理→硬磨→冷酸洗→粗磨→精磨→成品檢查。

首先將棒料切成料段，然后經(jīng)沖壓形成如圖14所示的球坯。鋼球形成折疊有3種情況：(1)切料時(shí)會(huì)偶然出現(xiàn)切料端面不平整及毛刺，料段在沖壓過(guò)程中將毛刺壓入“極”邊緣，形成折疊；(2)棒料本身表面質(zhì)量差或有環(huán)狀劃傷，毛坯在沖壓過(guò)程中將會(huì)在“赤道”附近形成折疊；(3)棒料本身可能存在折疊缺陷。

沖壓折疊通常存在于鋼球的次表面或近表面。鋼球沖壓折疊及材料裂紋等缺陷通常可以通過(guò)熱酸洗檢查出來(lái)，但目前主要靠人工目檢來(lái)完成，故存在漏檢的可能性。

圖14 球坯形貌

軸承是通過(guò)軸承座和軸承受并傳遞載荷[6]。軸承受力狀態(tài)比較復(fù)雜，尤其是三、四點(diǎn)接觸球軸承的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。軸承正常運(yùn)行時(shí)鋼球與溝道之間的接觸應(yīng)力很高，通常為2 000～4 000 MPa，而存在沖壓折疊缺陷的鋼球工作過(guò)程中很容易在缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，故在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)在沖壓折疊部位表面產(chǎn)生裂紋、掉皮及剝落等損傷，最終導(dǎo)致軸承提前損壞。

針對(duì)軸承鋼球冷沖壓過(guò)程中形成的折疊缺陷引發(fā)的鋼球裂紋故障，特提出如下預(yù)防和控制措施：

(1)加強(qiáng)軸承質(zhì)量控制，避免帶有沖壓折疊缺陷的鋼球進(jìn)入裝配工序；

(2)加強(qiáng)軸承裝前檢查，保證發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的裝配質(zhì)量；

(3)針對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行專項(xiàng)檢查，剔除缺陷產(chǎn)品，避免把有缺陷的軸承裝入主機(jī)，危害主機(jī)的運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

(1)鋼球冷沖壓成形過(guò)程中形成的折疊缺陷是導(dǎo)致軸承提前失效，進(jìn)而引發(fā)主機(jī)故障的主要原因。

(2)通過(guò)采取相應(yīng)的預(yù)防措施后，再未出現(xiàn)類似問(wèn)題，表明控制措施是有效的。