航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承套圈斷裂問(wèn)題分析

李中生 鞏孟祥 任志遠(yuǎn) 賈曉彤

摘 要：某航空發(fā)動(dòng)機(jī)分解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中介軸承外套圈軸向斷裂，從軸承的損傷特征、斷口分析、加工及裝配精度分析等方面進(jìn)行研究，確定了外套圈的失效性質(zhì)，并對(duì)其失效原因進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；中介軸承；套圈；斷裂；故障分析

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用雙轉(zhuǎn)子加中介軸承的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量而提高推重比的目標(biāo)，中介軸承相對(duì)轉(zhuǎn)速較高，潤(rùn)滑條件困難，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，也是薄弱部件。軸承失效的影響因素較多，失效形式和故障形貌差異較大，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的失效分析具有非常重要的意義。

1 故障特征

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中振動(dòng)超標(biāo)，分解檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中介軸承外環(huán)套圈一處沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向開(kāi)裂。故障軸承為外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承，套圈和滾子材料為軸承鋼，保持架材料為硅青銅，采取環(huán)下供油潤(rùn)滑方式，外套圈隨高壓轉(zhuǎn)子順航向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)套圈隨低壓轉(zhuǎn)子順航向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。復(fù)查前期記錄，未出現(xiàn)過(guò)外套圈斷裂情況。

2 故障檢查

2.1 宏觀檢查

檢查中介軸承內(nèi)套圈、滾子及保持架均未見(jiàn)明顯損傷，整體顏色正常，未見(jiàn)明顯高溫跡象，外套圈一處凸臺(tái)跟部沿軸向開(kāi)裂，滾道面上從開(kāi)裂處起始有近似矩形表面剝落帶，軸向斷裂處一側(cè)嚴(yán)重剝落，另一側(cè)未見(jiàn)明顯剝落，外套圈軸向斷裂處的剝落寬度以及滾道接觸痕跡寬度大于遠(yuǎn)離斷裂處，斷裂兩側(cè)滾道接觸痕跡存在輕微的軸向錯(cuò)位，表明最先發(fā)生失效的位置應(yīng)在軸向斷裂處。外套圈前端面可見(jiàn)局部接觸磨損，靠近斷裂一側(cè)前端面上明顯可見(jiàn)灰黑色膠狀物質(zhì)粘著，斷裂一側(cè)的外套圈后端面局部可見(jiàn)磨損痕跡。

2.2 微觀檢查

將中介軸承外套圈剝落處和裂紋斷口放入掃描電鏡進(jìn)行微觀檢查。外套圈可見(jiàn)一處15mm×75mm的近似矩形剝落區(qū)域和一處軸向斷裂斷口，剝落區(qū)域由密集的大小不一的剝落坑組成，剝落坑內(nèi)微觀可見(jiàn)疲勞特征，即外套圈內(nèi)徑剝落為疲勞剝落（如圖1所示），剝落坑周圍的基體可見(jiàn)方向不一的微觀裂紋形貌，能譜分析剝落處除基體元素和C、O等常見(jiàn)環(huán)境污染元素外，未見(jiàn)其他外來(lái)金屬元素。外套圈軸向斷裂斷口在內(nèi)徑滾道面一側(cè)可見(jiàn)3個(gè)最初起始擴(kuò)展的臺(tái)階區(qū)域，隨后的臺(tái)階分別從這3個(gè)臺(tái)階區(qū)域重新起始并出現(xiàn)擴(kuò)展，每處疲勞源處均可見(jiàn)內(nèi)徑滾道面基體表面剝落的痕跡，疲勞從剝落坑底部起始，未見(jiàn)明顯冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞小弧線特征，瞬斷區(qū)靠近外徑配合面，為細(xì)小韌窩形貌，說(shuō)明外套圈軸向斷裂為疲勞斷裂，起始于內(nèi)徑滾道面剝落坑（如圖2所示）。

外套圈前端面可見(jiàn)的外來(lái)物質(zhì)黏附微觀檢查為黑色不導(dǎo)電物質(zhì)，能譜分析主要含C、O，還含有少量的P、S和金屬元素。斷裂處一側(cè)外圈后端面的磨損處可見(jiàn)碾壓和剝落坑，能譜分析磨損剝落處符合基體材料特征，除基體元素外，還有少量的Ni、Cu、Ag、W等外來(lái)元素，與后端面配合的外套圈壓緊螺母成分相符合，應(yīng)為壓緊螺母成分留存。

微觀檢查表明，外套圈軸向斷裂斷口疲勞起源于內(nèi)徑表面處，源區(qū)均在發(fā)生了剝落的滾道區(qū)，且源區(qū)可見(jiàn)疲勞剝落坑形貌，即外套圈的軸向斷裂起源于剝落損傷處，斷口內(nèi)徑側(cè)的其他非源區(qū)位置也可見(jiàn)分散的數(shù)百微米的剝落損傷，因此分析認(rèn)為在軸向斷裂位置處可能最先出現(xiàn)了剝落損傷。

2.3 金相組織和硬度檢查

分別對(duì)外套圈在接近軸向斷裂處的剝落區(qū)域和與軸向斷裂處呈180°對(duì)稱的未剝落區(qū)域截取軸向截面，進(jìn)行金相組織對(duì)比觀察和硬度對(duì)比檢測(cè)。

檢查結(jié)果表明，剝落區(qū)域和未剝落區(qū)域兩處截面基體組織無(wú)明顯差異，均為馬氏體+碳化物組織。剝落區(qū)和未剝落區(qū)截面基體金相除符合材料規(guī)范的碳化物外，未見(jiàn)明顯的夾雜成分。兩個(gè)截面基體硬度均符合技術(shù)條件要求。

2.4 軸承輪廓和安裝配合精度檢查

對(duì)同批次102套成品軸承內(nèi)套圈尺寸、外套圈尺寸、旋轉(zhuǎn)精度、自由狀態(tài)徑向游隙等項(xiàng)目進(jìn)行100%檢測(cè)，全部合格，表明成品軸承符合設(shè)計(jì)要求。

軸承外套圈兩端面形狀存在差異，有槽口端存在與空氣導(dǎo)流調(diào)整墊配合痕跡；無(wú)槽口端存在與壓緊螺母接觸痕跡，表明軸承安裝位置正確。

故障件理化分析發(fā)現(xiàn)兩端端面接觸痕跡比較明顯，前端面可見(jiàn)灰黑色外來(lái)物質(zhì)黏附并形成局部點(diǎn)狀凸起，斷裂一側(cè)的后端面局部可見(jiàn)剝落；4個(gè)大槽口端面與空氣系統(tǒng)調(diào)整墊配合痕跡深淺不完全一致，與原槽口端面形成輕度臺(tái)階狀磨痕。上述現(xiàn)象表明，軸承外套圈可能存在安裝不到位現(xiàn)象。

3 故障分析

綜合宏觀檢查、微觀檢查及加工裝配質(zhì)量排查結(jié)果，可得出如下分析結(jié)論：

（1）外套圈失效形式為滾道剝落和軸向斷裂，滾道剝落性質(zhì)為疲勞剝落，軸向斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

（2）外套圈軸向斷裂疲勞起源于滾道疲勞剝落坑處，即外套圈軸向斷裂處先發(fā)生了疲勞剝落，然后引發(fā)疲勞開(kāi)裂。

（3）外套圈疲勞剝落不能排除軸承外套圈前端面黏附異物影響軸承配合精度，可能導(dǎo)致外套圈安裝配合不到位的原因。

該故障軸承為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承，內(nèi)、外套圈反向旋轉(zhuǎn)，外套圈無(wú)擋邊，屬薄壁異型結(jié)構(gòu)軸承，裝配在高壓轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)速高達(dá)15000r/min，對(duì)安裝配合精度要求極高，一旦安裝配合出現(xiàn)不到位或配合面精度不足的情況，將會(huì)導(dǎo)致軸承外套圈發(fā)生偏斜，在軸承工作過(guò)程中，造成軸承受力不均，產(chǎn)生局部接觸應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象，最終導(dǎo)致接觸疲勞剝落。軸承疲勞剝落后，一方面使剝落區(qū)域處疲勞強(qiáng)度降低，另一方面也會(huì)在剝落點(diǎn)處產(chǎn)生振動(dòng)沖擊載荷，最終導(dǎo)致外套圈在滾道剝落點(diǎn)處發(fā)生疲勞斷裂，滾道疲勞剝落面繼續(xù)擴(kuò)大。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)故障分析結(jié)論，裝配中介軸承時(shí)加強(qiáng)對(duì)軸承端面和與軸承配合面的檢查，裝配軸承后通過(guò)薄塞尺圓周檢查軸承前端面無(wú)間隙的方式保證軸承安裝到位。

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