基于軸承襯套典型構(gòu)件的微動磨損問題研究

李錦花 史妍妍 王飛鳴

摘要：以航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣軸承襯套為例，從微動磨損問題出發(fā)，對軸承襯套工作條件、使用工況進(jìn)行分析，結(jié)果表明軸承襯套磨損為典型的微動磨損現(xiàn)象，并開展了軸承襯套微動磨損試驗，復(fù)現(xiàn)了軸承襯套磨損現(xiàn)象，驗證了理論分析結(jié)果。通過本文研究確定了航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣軸承襯套微動磨損發(fā)生的影響因素，并針對這種典型結(jié)構(gòu)提出預(yù)防微動磨損問題發(fā)生的改進(jìn)方案，對其中的鋁材料表面硬質(zhì)陽極化方案開展了發(fā)動機(jī)驗證，結(jié)果表明對解決鋁軸承襯套的磨損問題有明顯效果。

關(guān)鍵詞：軸承襯套;微動磨損;振動;載荷;試驗

中圖分類號：V233.1 文獻(xiàn)標(biāo)識符：A

隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的提高，高速、重載成為附件傳動系統(tǒng)的主要工作特點[1]，對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件提出更高的可靠性要求。然而，由于傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件接觸面多，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件微動磨損問題時有發(fā)生，在各種微動環(huán)境下，極易導(dǎo)致配合面的損傷，繼而影響整體結(jié)構(gòu)的使用壽命。

在航空發(fā)動機(jī)中，附件機(jī)匣作為發(fā)動機(jī)的動力傳輸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包括殼體、齒輪、軸、軸承等典型結(jié)構(gòu)件[2]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，殼體和軸承之間經(jīng)常使用軸承襯套結(jié)構(gòu)，如圖1所示，作用是為避免軸承外環(huán)和殼體的對磨，減少殼體的損傷而用于磨損保護(hù)作用的結(jié)構(gòu)件，采用軸承襯套結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是磨損后方便更換，節(jié)約成本[3]。

在使用過程中，附件機(jī)匣內(nèi)鋁軸承襯套曾發(fā)生較嚴(yán)重的磨損問題，磨損形貌如圖2所示。

本文從微動磨損角度出發(fā)，以軸承襯套磨損問題為案例，通過開展軸承襯套磨損形貌、配合形式、材料匹配等研究，分析軸承襯套微動磨損發(fā)生的原因，并提出有效緩解微動磨損的措施。

1 微動磨損機(jī)理及判斷

微動是兩個接觸表面發(fā)生極小幅度的相對運動，微動發(fā)生的兩個必要條件是：一是接觸表面“近似緊固”，二是存在振動。

微動磨損是在相互壓緊的金屬表面間由于小振幅振動而產(chǎn)生的磨損。磨損機(jī)理是：摩擦表面間的法向壓力使表面上的微凸體黏著。黏合點被小振幅振動剪斷成磨屑，磨屑接著被氧化。被氧化的磨屑在磨損過程中起著磨粒的作用，使摩擦表面形成麻點或蟲紋形傷疤[4～6]。微動磨損普遍存在于各種機(jī)械裝備的運行中，是關(guān)鍵零部件失效的重要原因之一，微動常使材料疲勞極限降低20%～50%[7，8]。

通常判斷是否發(fā)生微動損傷，一般通過是否有振動，配合是否小間隙，是否存在微動損傷的表面形貌和磨屑特征這4個方面。

1.1 振動

振動是發(fā)生微動磨損的內(nèi)因條件。附件機(jī)匣內(nèi)部齒輪傳動系統(tǒng)，通過輪齒交替嚙合為附件傳送動力。引起齒輪傳動系統(tǒng)振動的主要因素是由于嚙合齒數(shù)變化導(dǎo)致嚙合剛度隨時間周期變化，其力學(xué)效應(yīng)使齒輪系統(tǒng)處于參數(shù)振動狀態(tài)。這是齒輪傳動系統(tǒng)的固有工作特性，即使外載為常量時，系統(tǒng)也會因剛度激勵而產(chǎn)生振動。把齒輪軸視為單個轉(zhuǎn)子，則兩端軸承就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的支點。齒輪嚙合振動通過齒輪軸將傳遞給軸承，在軸承和軸承襯套配合面之間存在小振幅振動，如圖3所示。

1.2 配合間隙

磨損配合面名義上是否相對靜止是微動磨損產(chǎn)生的必要條件。裝配時軸承外環(huán)與襯套之間采用小間隙配合，配合值為0～0.028mm，如圖4所示。

在工作載荷下，軸承外環(huán)同時受到軸承拖動力和襯套摩擦力的作用，計算結(jié)果見表1。

由表1可見，正常工作時，軸承外環(huán)的拖動力矩遠(yuǎn)小于外環(huán)與襯套的摩擦力矩。可以說，軸承外環(huán)和軸承襯套之間即使有0～0.028mm的間隙，軸承外環(huán)和軸承襯套配合面之間仍是相對靜止的。

1.3 損傷形貌

微動磨損的損傷過程一般分為三個階段：第一階段：表現(xiàn)出明顯的滑移特征，并存在因材料轉(zhuǎn)移而形成的黏著現(xiàn)象。第二階段：磨痕表現(xiàn)出環(huán)狀磨損形貌，在表層形成微裂紋，裂紋交叉擴(kuò)展，最終導(dǎo)致片狀顆粒的脫落。第三階段：基體材料開裂是本階段重要特征，微動導(dǎo)致的疲勞占據(jù)了主導(dǎo)地位，裂紋彼此溝通，導(dǎo)致大塊材料的剝落[9，10]。

根據(jù)20多臺附件機(jī)匣軸承和軸承襯套的磨損形貌分析，軸承和軸承襯套均呈現(xiàn)一階段磨損形貌，軸承襯套和軸承外環(huán)磨損表面呈現(xiàn)明顯的滑移特征，軸承外環(huán)（材料為Cr4Mo4V和GCr15）與GCr15鋼試驗后第一階段形貌相同，軸承襯套（材料為2A11）也與鋁合金第一階段微動磨損形貌相同。如圖5、圖6所示。

1.4 磨屑特征

軸承襯套材料為鋁合金，內(nèi)孔的磨損位置呈現(xiàn)較多黑色點狀磨屑，為典型的鋁合金磨屑顏色。

通過分析判斷，軸承襯套磨損形式為典型微動磨損。按微動磨損形式分類，軸承襯套磨損主要包括三類：切向式磨損、徑向式磨損、切向式與徑向式結(jié)合磨損，如圖7所示。徑向和切向微動的本質(zhì)區(qū)別在于摩擦副間的相對運動方向不同。研究表明，切向微動容易造成裂紋的萌生及擴(kuò)展，而徑向微動造成的損傷則要輕的多。

2 軸承襯套磨損分析

2.1 配合分析

軸承襯套磨損分為三類：切向式磨損、徑向式磨損、切向式與徑向式結(jié)合磨損。存在切向式磨損說明軸承和軸承襯套之間在工作中出現(xiàn)切向的相對運動，這與二者的運動幅值，即配合間隙有直接影響。對于軸承襯套配合在以往設(shè)計中主要考慮裝配影響，未進(jìn)行過熱態(tài)配合尺寸計算和分析，對于線膨脹系數(shù)相差較大的材料，熱態(tài)變形后配合尺寸將發(fā)生較大的變化，與裝配狀態(tài)存在很大差異。

高速、重載是附件機(jī)匣傳動齒輪的主要工作特點，工作中將導(dǎo)致附件傳動系統(tǒng)發(fā)熱量增加以及附件機(jī)匣溫度的升高。

工作狀態(tài)下，襯套內(nèi)徑和軸承外徑的熱變形量δ、δ分別為：

δ=φ·（T-T）·α（1）

δ=φ·（T-T）·α（2）式中：φ，φ分別為裝配溫度下襯套內(nèi)徑和軸承外徑的理論尺寸;T，T分別為工作狀態(tài)下襯套及軸承外環(huán)的溫度;T為裝配溫度;α，α分別為襯套及軸承外環(huán)的線膨脹系數(shù)。

相對于裝配溫度下軸承與襯套之間的間隙配合上限γ、下限γ，工作狀態(tài)下二者之間的間隙配合上限下，、下限γ計算為：

γ=γ+（γ-δ）（3）

γ=γ+（δ-δ）（4）

附件機(jī)匣工作時，機(jī)匣溫度會達(dá)到150℃左右，這時，襯套和軸承外環(huán)之間由于熱膨脹量的不同會產(chǎn)生間隙，鋁材料的線膨脹系數(shù)為24×10/℃，軸承鋼Cr4Mo4V材料線膨脹系數(shù)為11.2×10/℃，工作狀態(tài)配合間隙計算結(jié)果見表2。

計算結(jié)果顯示，軸承外環(huán)工作狀態(tài)與鋁襯套配合間隙值明顯大于設(shè)計狀態(tài)，由于各自結(jié)構(gòu)差異，工作間隙大小不同，軸承襯套存在三種不同形式的微動磨損現(xiàn)象。

2.2 承載分析

軸承襯套和軸承外環(huán)之間具備發(fā)生微動磨損的條件，但在同一結(jié)構(gòu)條件，微動磨損的損傷程度受作用力（即軸承載荷）的直接影響。隨著載荷的增加，接觸面積、剛度隨之增加，摩擦力和彈性變形增加，微動磨損趨勢增加。

要計算軸承載荷，首先對附件機(jī)匣內(nèi)的各個齒輪進(jìn)行受力計算，該結(jié)構(gòu)中存在兩種齒輪形式：弧齒錐齒輪和圓柱齒輪。在絕對理想條件下：無任何制造、裝配誤差;無軸承間隙;所有零部件為剛體;傳動系統(tǒng)中兩根軸應(yīng)是彼此平行的，對應(yīng)兩齒輪中心線之間也絕對平行。則弧齒錐齒輪嚙合產(chǎn)生切向力F、徑向力F和軸向力F三個方向的力，分別如式（6）一式（8）所示;圓柱齒輪嚙合只產(chǎn)生切向力F和法向力F，分別如式（9）、式（10）所示叫。

T=9549P/n（5）

F=2000T/d（6）

F=2000T/d（9）

F=F/cosα（10）式中：P為齒輪傳動功率;T，T分別為錐齒輪和圓柱齒輪扭矩;d，d為分度圓直徑;α，α'分別為錐齒輪和圓柱齒輪壓力角;β為錐齒輪螺旋角;δ為錐齒輪分度圓錐角。

分析附件機(jī)匣內(nèi)各齒輪軸承受的載荷及載荷在兩端支撐軸承間的分配，如圖8所示。

通過Ansys軟件和Masta軟件計算求解[12，13]，各軸承工作載荷見表3。

從使用情況看，軸承5一軸承12位置的軸承襯套常發(fā)生較嚴(yán)重的磨損問題，從計算結(jié)果看，軸承5～軸承12的徑向載荷與其他位置軸承相比偏大。

2.3 材料分析

接觸表面在擦傷、磨損等破壞之前，必然發(fā)生表層的彈性變形和塑形變形，鋼和鋁材料的彈性模量、硬度、強度等性能的差異較大，鋁合金硬度低，塑性變形比鋼容易進(jìn)行，二者發(fā)生微動磨損時，隨著載荷水平的增加，損傷的程度比鋼高[14，15]。可見，軸承襯套和外環(huán)的材料不匹配，導(dǎo)致軸承襯套磨損比軸承外環(huán)的磨損嚴(yán)重的多。

3 微運磨損試驗驗證

在振動試驗臺上開展軸承襯套磨損模擬試驗研究，試驗件模擬附件機(jī)匣上的軸承襯套安裝形式進(jìn)行裝配，如圖9所示，結(jié)合試驗條件及軸承襯套工作工況，在齒輪上施加徑向載荷，進(jìn)行1h振動試驗后，檢查軸承襯套在受力方向圓周60°范圍內(nèi)出現(xiàn)磨損，如圖10所示。

4 減緩微動磨損的措施

防止微動損傷最簡單的方法就是消除振動源。但輪齒交替嚙合是齒輪傳動系統(tǒng)的固有工作特點，由此導(dǎo)致的輪齒剛度激勵及傳動系統(tǒng)振動問題也是無法避免的，因此不能完全避免微動損傷，只能采取措施減緩這種損傷。

4.1 減小振動

一般，微動頻率對微動失效的影響并不是線性的，存在最易失效的頻率;而振動幅值對微動失效影響呈線性趨勢，幅值越大，微動失效越快。因此，在不能完全消除振動源的情況下，一般可采取軸類零件動平衡，提高齒輪嚙合精度，齒輪修形減小嚙合沖擊，減小配合面間隙，增加結(jié)構(gòu)局部剛性等措施盡量減小振動幅值。

4.2 降低接觸副間運動幅度

將軸承襯套和軸承外環(huán)配合間隙減小，同時，在二者之間增加了防轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)，有效解決了軸承襯套切向微動磨損問題，如圖11所示。增加防轉(zhuǎn)銷后，軸承襯套磨損形式由徑向式、切向式、徑向式和切向式結(jié)合的三種形式轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚰p一種形式。

4.3 增加接觸表面強度

鋁合金表面可以通過硬質(zhì)陽極化方式提高表面硬度，硬質(zhì)陽極化后表面硬度由原不大于HRC17提高到HRC32.5。硬質(zhì)陽極化軸承襯套（見圖12）隨發(fā)動機(jī)完成一個壽命期的長試考核，襯套表面基本無磨損。可見，鋁合金表面硬質(zhì)陽極化后，可以明顯提高其耐磨性，對減緩鋁合金的微動磨損問題有效。

4.4 材料的選用和匹配

同種金屬做微動時，兩表面的損傷相同。不同金屬副微動，損傷主要在較軟的金屬上。因此，在材料匹配的情況下，盡量選擇硬度大、疲勞強度高的材料能有效地減輕微動的磨損及抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展。在國外發(fā)動機(jī)設(shè)計中大量應(yīng)用鋼襯套，其襯套表面硬度大，抗磨損能力強，可靠性高。

5 結(jié)論

通過本文研究，軸承襯套發(fā)生微動磨損的影響因素為：

（1）在載荷相當(dāng)?shù)那闆r下，工作狀態(tài)接觸面的配合間隙越大，軸承襯套表面磨損損傷程度越大。

（2）結(jié)構(gòu)相同時，載荷越大，微動作用力越大，軸承襯套微動磨損損傷程度越大。

（3）軸承襯套鋁材料與軸承鋼材料性能及硬度的差異，直接決定了軸承襯套表面的微動磨損損傷程度的大小。

為避免微動帶來的軸承襯套磨損、裂紋甚至失效，在軸承襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量降低振動幅值;注意考慮熱態(tài)配合的影響，合理設(shè)置配合尺寸;根據(jù)承載情況，合理選則耐磨和硬度相近的材料，并按需進(jìn)行表面硬化可有效抑制微動磨損損傷。

參考文獻(xiàn)

[1]《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊》總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[3]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]周仲榮.復(fù)合微動磨損[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[5]Zhou Z R，F(xiàn)ayeulle S，Vincent L.Cracking behaviour ofvarious aluminium alloys during fretting wear[J].Wear，1992，155：317-330.

[6]Zhou Z R，Vincent L.Cracking induced by fretting ofaluminium alloys[J].Journal of Tribology 1997，119（1）：36-42.

[7]蔡振兵，朱旻昊，張強，等.鋼-鋼接觸的扭動微動磨損氧化行為研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2009，43（9）：86-90.

[8]B.布尚.摩擦學(xué)導(dǎo)論[M].葛世榮，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[9]Zhou Z R，F(xiàn)ayeulle S，Vincent L.Cracking behaviour ofvarious aluminium alloys during fretting wear[J].Wear，1992，155：317-330.

[10]Bill R C.Fretting eear and fretting fatigue一how are theyrelated？[J].Journal of Lubrication Technology，1983，105：230-238.

[11]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.Zhu Xiaolu.Manual gear transmission design[M].Beijing：Chemical Industry Press，2005.（in Chinese）

[12]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[13]SMT.Masta培訓(xùn)手冊[M].北京：SMT，2007.SMT.Masta training manual[M].Beijing：SMT，2007.（inChinese）

[14]周仲榮.微動磨損[M].北京：科學(xué)出版社，2002.Zhou Zhongrong.Fretting wear[M].Beijing：Science Press，2002.（in Chinese）

[15]周仲榮.關(guān)于微動磨損與微動疲勞的研究[J].中國機(jī)械工程，2000，11（10）：1146-1150.