某發動機機匣軸承溝道剝落及鉚釘斷裂故障分析

羅志剛，于慶杰，公平，姜鐵寅，刁慶

（中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025）

航空發動機軸承故障會嚴重影響發動機的飛行任務，其失效形式不同、影響因素復雜，對發動機軸承的失效進行分析并提出預防改進措施具有重要意義。

航空發動機在飛行故障分解檢查后發現，附件機匣內部支承軸承D209NQ發生故障，保持架鉚釘全部斷裂脫落，外圈溝道剝落，影響發動機正常使用。經統計，2010年至今，該類軸承鉚釘斷裂及溝道剝落故障共發生3起，故障率較低。文中主要分析軸承損傷機理，并根據故障分析提出預防改進措施。

1 故障現象

機匣軸承分解后發現外圈溝道有一條長約50 mm、寬約7.5 mm、深約0.01 mm的剝落區（圖1），其位置基本居于溝底。鉚合上下兩半保持架的10根鉚釘中9根從原鉚釘頭處斷開，1根在中部斷裂（圖2）。

圖1 外圈溝道剝落形貌Fig.1 Flakingmorphology of outer ring raceway

圖2 鉚釘斷裂形貌Fig.2 Fracturemorphology of rivets

2 故障分析

2.1 形貌分析

利用掃描電鏡對保持架鉚釘斷口進行觀察，鉚釘頭部斷裂均屬于疲勞斷裂，疲勞斷裂源起始于鉚釘圓頭根部，斷裂起始部位有微振形成的擠壓摩擦痕跡，典型鉚釘斷口形貌如圖3所示。

圖3 鉚釘斷口形貌Fig.3 Fracturemorphology of rivet

利用掃描電鏡對外圈剝落區進行觀察如圖4所示，未發現明顯的材質缺陷，剝落區不連續，且深度較淺，具有鱗片狀剝落的特征，為表面起源型剝落。

圖4 外圈溝道剝落區微觀形貌Fig.4 Micromorphology of outer ring raceway flaking area

2.2 鉚釘強度分析

保持架材料為QAL10－3－1.5，鉚釘材料為ML15。由于保持架材料熱膨脹系數略大，在130℃受熱后保持架軸向伸長量大于鉚釘伸長量，相互作用產生應力為239.16 MPa，鉚釘應力分布如圖5所示，而鉚釘材料抗拉強度為390 MPa，故鉚釘強度可滿足使用要求。

圖5 鉚釘應力分布Fig.5 Stress distribution of rivet

初步認為軸承故障為在使用中外圈溝道發生表面損傷，引起疲勞剝落，破壞溝道完整性，鋼球運轉出現異常，對保持架產生振動和異常沖擊，導致保持架鉚釘在頭部薄弱位置發生斷裂，斷裂后鉚釘及釘頭掉落，保持架分離。

3 故障模擬試驗

采用D209NQ軸承，在外圈溝道預制密集點狀壓坑缺陷，尺寸約0.040 mm（圖6），以模擬外圈溝道先出現損傷的故障模式，試驗器運轉工況按照發動機實際工況進行。

圖6 外圈溝道預制壓坑缺陷Fig.6 Prefabricated pit defect of outer ring raceway

試驗130 min后，試驗器運轉聲音異常，試驗軸承溫度升高，發生嚴重抱軸，停止試驗。分解檢查發現，試驗器腔體內有金屬屑，對試驗軸承進行宏觀損傷形貌的觀察，主要檢查結果如下：

1）外圈溝道從預制缺陷區疲勞剝落，其他部位溝道磨損，剝落區表面呈鱗片狀特征（圖7a），剝落坑底表面為摩擦磨損形貌（圖7b）；

圖7 外圈溝道剝落形貌Fig.7 Flakingmorphology of outer ring raceway

2）保持架10根鉚釘中有3根的釘頭斷裂，鉚釘桿仍留在保持架內，斷裂部位均位于圓釘頭與桿部轉接處，疲勞裂紋起源于釘頭轉角兩側，裂紋源未見缺陷。

4 同臺機匣其他軸承的檢查情況

對與該套故障軸承同臺機匣的其他軸承進行檢查，發現大部分軸承套圈溝道靠近溝底位置存在多條異常磨損帶，磨損帶表面材料損失，周圍伴有較多壓坑形貌（圖8）；其中1套軸承的溝底位置發現2處形狀一致，近似鴨形剪影的壓坑（圖9）。

圖8 溝道表面磨損帶Fig.8 Wear band on raceway surface

5 故障原因及預防措施

5.1 故障原因

根據故障分析與模擬試驗，可以確定該軸承故障是由于軸承溝道表面損傷導致的，原因為異物進入或加工及拆卸過程損傷。

通常情況下，表面起源型疲勞剝落與表面存在磨損、壓坑或劃傷等現象有關。結合掃描電鏡對故障軸承外圈剝落區域的觀察情況，說明軸承套圈表面應存在磨損、顯微剝落、壓坑以及劃傷等現象，使軸承在工作過程中發生表面起源型剝落。檢查故障軸承同臺機匣其他軸承發現，在套圈溝道工作表面上存在不同程度的壓坑、麻點、淺層顯微剝落及鋼球圓周劃傷現象、溝道表面有鴨形壓痕（圖9）。根據以上幾點可推斷該軸承表面損傷應與潤滑油中存在顆粒污染物、生產加工或安裝不當造成的表面壓傷有關。

圖9 溝道表面鴨形壓痕（60×）Fig.9 Duck－shaped indentation on raceway surface

5.2 預防措施

1）對軸承清洗過程和潤滑油系統的清潔度控制進行改進優化；

2）完善軸承生產、安裝及試車工藝過程控制，改進相關工藝，減少軸承損傷風險。

6 結束語

通過分析，確定該軸承故障是由于溝道表面損傷導致的，原因為異物進入或加工及拆卸過程損傷。應在軸承生產、安裝及試車工藝過程及清潔度方面著重控制，預防類似故障再次發生。