航空發動機角接觸球軸承掉塊分析

梁霄，可成河，趙四洋，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）

軸承對主機的工作性能、壽命、各項經濟指標及可靠性均有很大影響，在某些情況下，航空發動機軸承失效可能導致機毀人亡的嚴重后果［1］。因此，準確判斷航空發動機軸承失效原因，并采取針對性的預防控制措施意義重大。軸承失效分析是一個極其復雜的問題，影響因素很多，工況條件及軸承內在質量都必須考慮，要具有詳盡的原始資料，如軸承服役前后的經歷、現場記錄及收集的失效零件，并運用正確的分析方法、程序和步驟，才能確定軸承失效形式，找到失效的原因，得出正確的結論［2］。

某航空發動機在工作過程中振動偏大但振動值沒有超標，在故障檢測中發現高壓前支承軸承（多為三點角接觸球軸承）內溝道表面出現了裂紋及剝落掉塊。對于這類故障，除需更換新軸承外，還須進行發動機附加試車，不僅造成較大的經濟損失，而且影響主機的正常運行。因此，通過對故障套圈進行斷口形貌觀察及金相圖譜對比，探究故障機理、分析故障原因，以便采取針對性的措施，從根本上杜絕此類故障的發生。

1 故障現象

高壓前支承軸承（以下簡稱前軸承）內溝道表面出現裂紋及剝落掉塊的故障件宏觀形貌如圖1所示，圖中箭頭所指處為剝落掉塊位置。

圖1 故障軸承內圈宏觀形貌

內溝道表面裂紋形貌如圖2所示，目視放大鏡觀察，可見沿周向約15 mm長的區域內出現了半網狀裂紋，共15條左右，長度為3～7 mm。

圖2 故障部位放大圖

內溝道裂紋區域可見3處明顯的剝落掉塊現象（圖3），掉塊坑底呈現新鮮的金屬光澤；對內溝道表面進一步放大觀察，未見球和溝道有擦傷痕跡，且表面未見氧化。

圖3 剝落掉塊形貌

2 故障檢測及軸承受力分析

軸承選型得當且維護和潤滑良好，其使用壽命一般均能超過計算壽命，但在使用過程中，由于受各種因素的影響，有時會出現意料以外的早期損壞［3］。軸承出現早期損壞勢必存在一定程度的異常情況。

2.1 統計分析

取批生產發動機廠內試車后故障檢查樣本數據，結果表明：前軸承因內溝道表面有裂紋及剝落掉塊報廢的故障率僅為0.5%，且外場正在使用的發動機通過滑油光譜分析、磨粒分析也未見異常。由此可見該故障應為小概率偶發事件，必然存在異常之處。

2.2 理化檢查

2.2.1 微觀檢查

用掃描電鏡對3個掉塊坑的內側面進行放大觀察，未見疲勞特征，均呈如圖4所示的脆性斷口形貌；利用背散射圖像觀察掉塊部位及微裂紋處，未見與材料有關的冶金缺陷。

圖4 掃描電鏡圖

2.2.2 硬度檢查

硬度反映材料阻止壓入的能力，因此，硬度也反映了材料阻止磨損的能力。可用靜態或動態的方法測量硬度［4］。文中采用靜態方法測量洛氏硬度，每個部位測量3個點，具體數據如下：

（1）內溝道微裂紋附近硬度分別為63.0，62.8和63.3 HRC；

（2）內溝道其他部位硬度分別為63.3，63.0和63.0 HRC。

測量結果表明：內溝道硬度符合標準要求，可排除異物壓入和異常磨損導致失效的可能性。

2.2.3 金相檢查

沿溝道面法線方向切開半環，磨制金相試樣進行觀察，金相組織為回火馬氏體+均勻分布的碳化物。溝道表面法線截面處裂紋深度最大處約1.1 mm，截面試樣上裂紋形貌如圖5所示。

圖5 截面試樣上的裂紋形貌

2.2.4 檢查結果

（1）前軸承內溝道表面裂紋為應力裂紋，呈半網狀分布。

（2）掉塊坑內未見疲勞特征，均呈脆性斷口形貌，未見與材質有關的冶金缺陷。

（3）半環法線截面裂紋最大深度約為1.1 mm。金相組織為回火馬氏體+碳化物。

（4）能譜分析材料符合Cr4Mo4V鋼標準。

2.3 受力分析

理化分析表明，前軸承內溝道表面裂紋為應力裂紋，呈半網狀分布，因此有必要對該軸承的受力情況進行分析。

滾動軸承是通過外殼（軸承座）和軸承受并傳遞載荷［5］。軸承受力狀態比較復雜，尤其是三、四點角接觸球軸承的受力狀態更加復雜。前軸承載荷的傳遞路線是：軸向和徑向載荷通過內圈、鋼球、外圈再傳遞到軸承座。

在載荷作用下，接觸區域變形，載荷作用在微小的接觸面積上，使接觸部位鄰近區域產生較大的接觸應力，通常滾動軸承內的接觸應力在2 000～4 000 MPa。軸承的靜承載能力除材料本身的性能外，還受接觸面間的壓應力分布，特別是剪切應力分布的影響。分析表明，最大靜態切應力發生在接觸表面下一定深度處，作用在與坐標軸y和z成45°的平面上。軸承在承載下運動時，表面下平行于滾動方向的切應力將按交變應力規律變化，在某一深度其幅值達到最大值，稱為最大動態切應力。最大動態切應力對接觸疲勞裂紋的發生和擴展起主要作用，而最大靜態切應力對接觸表面下的塑性變形起主要作用。

當軸承零件所承受的應力超過材料極限時，其內部或表面便發生斷裂或局部斷裂現象。由于某種原因，如熱處理不當、局部磨削過熱等非正常操作均可能導致套圈內部產生異常應力，軸承工作過程中，溝道承受相當高的交變接觸應力，極易產生裂紋、剝落等損傷，最終導致軸承早期失效。

3 綜合分析

通過上述故障統計、掉塊觀察、金相檢查及軸承受力分析，可以看出局部半網狀裂紋的產生與零件加工有關（出現了二次淬火層），排除了滾動接觸疲勞、安裝偏斜以及供油不暢過熱導致硬度降低等情況。

3.1 磨削裂紋

通常磨削裂紋產生的原因有：（1）在磨削金屬表面時產生大量的磨削熱，這種熱量可使磨削表面溫度快速達820～840℃，如果磨削時冷卻不充分，磨削熱足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火成為馬氏體，使表面層產生附加的組織應力，最終可能導致磨削表面產生磨削裂紋；（2）零件淬火、回火后組織中還可能存在殘余奧氏體、網狀碳化物或內應力，磨削熱可進一步引起組織轉變或應力再分配，最后導致產生磨削裂紋。例如，當磨削的零件還存在一定數量的殘余奧氏體，在磨削熱影響區內的殘余奧氏體發生分解，并轉變成馬氏體，引起零件局部體積膨脹而形成組織應力，當這種應力大于材料的抗拉強度極限時，即可形成磨削裂紋［6］。

綜上所述認為，前軸承內溝道在磨削加工過程中，由于操作不當，如瞬時進給量過大或對刀時暫時關閉冷卻液，致使短時冷卻不良，產生局部二次淬火層，導致套圈內部產生異常應力；使用時疊加了軸承工作過程中施加的工作應力而產生裂紋，裂紋擴展進而在裂紋閉合處產生剝落掉塊。

3.2 試驗驗證

為驗證分析結論的正確性，進行了相應的試驗再現，即在試樣套圈磨削加工時，短時間停止供給冷卻液。加工后將試樣拆下進行酸洗檢查，發現內溝道表面出現了裂紋。表明磨削過程中即使短時的冷卻不充分，工件表面也會出現磨削裂紋。試驗結果再次印證了前軸承內溝道表面裂紋確為磨削應力裂紋。

4 防控措施

根據故障產生的原因，可以采取以下防控措施：

（1）進一步加強工藝過程的質量控制，除按工藝粗磨后100%酸洗檢查燒傷、細磨每批和每班次的首件進行酸洗檢查燒傷外，每加工10件抽檢1件做磁性無損燒傷檢測。

（2）優化零件磁粉探傷檢查工藝。

（3）裝機使用前核查軸承廠家試車的相關資料，保證裝機軸承的質量。

（4）對不具有批次性偶然發生的故障采取針對性處理措施，與故障軸承同批次軸承可裝機使用，已隨發動機交付出廠的軸承亦可繼續使用。

通過采取相應控制措施之后，未再發生類似問題。

5 結論

（1）發動機前軸承內溝道表面裂紋是由于溝道表面磨削加工過程中操作不當產生局部二次淬火層所致。

（2）此故障為早期故障，且具有小概率偶發特性，可以在廠內通過試車暴露出來，可防可控。