高壓轉子擰緊扳手傳動系統卡滯原因

石鳳仙, 孫智君, 滕躍飛, 彭 霜, 曹 瑋

(中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 200241)

各類機械傳動系統無論是在普通的機械設備、運輸工具中，還是在航空、航天、航海等領域中應用的都十分廣泛[1]。軸承作為支撐轉動部件，是各類機械傳動系統中的重要部件。軸承服役工況復雜，對制造質量、加工裝配精度、潤滑質量等要求極高，在摩擦熱及振動等惡劣的使用環境下失效概率相對更大，失效現象和行為也更為復雜[2-4]，實踐表明, 大量機械設備傳動系統的失效很大比例是軸承開裂引起的[5-10]。顯然，確保軸承在各種工況下都能正常工作，對于避免傳動系統發生故障具有非常重要的意義[11]。

某高壓轉子擰緊扳手(以下簡稱“工裝”)傳動系統示意圖如圖1所示，自下而上分別為驅動齒輪、1號傳動齒輪、2號傳動齒輪，該傳動系統在擰緊螺母過程中發生卡滯，拆解后發現，驅動齒輪和1號傳動齒輪各有1個齒牙斷裂，1號傳動齒輪一側軸承破壞，保持架、防塵蓋脫落，部分滾珠破裂，其余3個軸承不能靈活轉動，2號傳動齒輪有1個齒牙變形。驅動齒輪、1號傳動齒輪、2號傳動齒輪的材料為60Si2MnA彈簧鋼，軸承滾珠材料為GCr15軸承鋼，軸承類型為兩面帶防塵罩的深溝球軸承。該工裝傳動系統在此次卡滯事故之前使用近1 a(年)，但使用頻率較低，1 a僅使用10次左右。為找到該工裝傳動系統的卡滯原因，筆者對該傳動系統各部件進行了宏觀觀察、斷口分析、金相檢驗及硬度測試等，以找出措施減少傳動系統的失效概率。

圖1 擰緊扳手傳動系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of tightening wrenchtransmission system

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

1.1.1 驅動齒輪及傳動齒輪

驅動齒輪及1號傳動齒輪齒牙斷口宏觀形貌如圖2所示，可見斷裂位置均在齒牙頂部，斷口呈纖維狀；棱線收斂于一側齒根(如圖標記)，此為斷裂起始區；起始區未見明顯材料冶金缺陷和機械損傷，斷口呈過載斷裂特征。

圖2 驅動齒輪和1號傳動齒輪齒牙斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of tooth fracture ofa) drive gear and b) No.1 transmission gear

1.1.2 軸承組件

圖3 損壞的軸承組件Fig.3 Damaged bearing parts

1號傳動齒輪的1個軸承損壞，對該軸承進行觀察，可見軸承中部分滾珠破裂，保持架變形、脫扣，內滾道擠壓損壞，兩側端蓋變形脫落，破壞的軸承組件如圖3所示。采用放大鏡觀察，可見軸承內部有黃油，未見黃油結塊硬化、結焦及明顯異物。

對斷裂滾珠的斷口進行觀察，其宏觀形貌如圖4所示，可見斷口比較粗糙，呈纖維狀，局部有磨損痕跡。

圖4 斷裂滾珠斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of fractured bearing ball

該軸承采用浪式帶扣保持架，損壞軸承的保持架宏觀形貌如圖5所示，可見該保持架兜孔大小不一，已發生嚴重變形，搭扣部位錯位，且部分保持架搭扣已經脫開，失去對滾珠的約束作用。

圖5 損壞軸承的保持架宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of cage of damaged bearing

圖6 未損壞軸承保持架宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of cage of not damaged bearing

拆解1號傳動齒輪上未損壞的軸承，發現保持架輕微變形，且兩半保持架的搭扣部位有明顯錯位，未損壞軸承保持架宏觀形貌如圖6所示；軸承滾珠完好，滾珠及內外滾道表面有輕微劃傷；軸承內滾道表面局部存在滾珠擠壓痕跡，且擠壓損傷不在滾道中心，偏向一側，表明滾珠已偏離預定的運行軌道，導致滾珠局部受力增大，未損壞軸承內滾道宏觀形貌如圖7所示。

1.2 斷口分析

采用Sigma 500型掃描電鏡對其中一個斷裂滾珠的斷口進行觀察。斷口整體形貌如圖8a)所示，可見裂紋起源于滾珠表面缺口處(如圖下側箭頭所示)，然后從表面向滾珠心部擴展，表面裂紋的出現，使得滾珠受力不均，心部受到較大載荷的作用，產生二次裂紋源(如圖中心箭頭所示)，表面起源的裂紋擴展過程中遇到心部起源的裂紋后兩者匯合，形成臺階狀斷口；滾珠表面及心部的裂紋起始區呈沿晶脆性斷裂特征，如圖8b)所示，裂紋擴展區為典型的韌窩形貌，如圖8c)所示。

圖7 未損壞軸承內滾道宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of inner ring raceway of not damaged bearing

圖8 斷裂滾珠斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of fracture of fractured bearing ball：a) overall morphology; b) morphology of core crack initiation zone; c) morphology of core crack growth zone

1.3 金相檢驗

圖9 驅動齒輪和滾珠的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of a) drive gear andb) bearing ball

分別在驅動齒輪、1號傳動齒輪和滾珠的斷口附近截取金相試樣，經機械研磨、拋光和浸蝕后，在Axio Imager M2m型金相顯微鏡下進行觀察。

驅動齒輪和1號傳動齒輪的顯微組織形貌相似，驅動齒輪的顯微組織形貌如圖9a)所示，滾珠顯微組織形貌如圖9b)所示，可見驅動齒輪、1號傳動齒輪和滾珠的顯微組織均由回火馬氏體+少量碳化物組成，未見明顯異常。

1.4 硬度測試

利用VH3100型維氏硬度計對驅動齒輪、傳動齒輪和滾珠分別進行硬度測試，結果如表1所示?？梢婒寗育X輪、1號傳動齒輪和滾珠的硬度均滿足企業圖紙的技術要求。

表1 傳動系統各部件硬度測試結果Tab.1 Hardness test results of transmission system components HRC

2 分析與討論

2.1 最先失效件分析

綜合上述試驗結果可知，該工裝傳動系統卡滯的主要原因是驅動齒輪和1號傳動齒輪齒牙斷裂,2號傳動齒輪變形及軸承損壞。傳動系統中損傷最嚴重的為驅動齒輪與1號傳動齒輪，因此2號傳動齒輪不是最先失效件。

由宏觀觀察結果可知，驅動齒輪和1號傳動齒輪均有1個齒牙斷裂，兩處斷口均為過載斷裂，斷裂起始區未見材料冶金缺陷及明顯加工損傷，其余部位也未見卡滯損傷，且顯微組織及硬度測試結果均符合標準的要求，因此齒輪卡滯導致傳動系統卡滯的可能被排除，驅動齒輪和1號傳動齒輪斷裂不是本次失效的原因，而是傳動系統卡滯后，較大的擰緊力引起的過載斷裂，斷口起始區均存在不同程度的沿晶斷裂特征，這與幾種材料的硬度較高有關，并非是材料缺陷導致的。由于1號傳動齒輪的軸承發生了比較嚴重的損壞，且2號傳動齒輪的軸承運轉不靈活，因此判斷1號傳動齒輪處發生損壞的軸承是該傳動系統卡滯的最先失效件。

2.2 卡滯原因分析

損壞軸承由內外滾道、保持架、滾珠和上下防塵蓋組成。根據軸承組件結構及宏觀觀察結果可知，上下防塵蓋僅有密封作用，即使破壞，也僅僅是防塵蓋脫落，并不會影響滾珠的滾動，因而軸承損壞與防塵蓋無關。宏觀觀察到軸承內部有黃油，但未見黃油結塊硬化、結焦及明顯異物進入，且滾珠與滾道之間沒有摩擦痕跡，說明軸承潤滑良好，可排除潤滑不良引起軸承損壞的可能性。內外滾道僅有少量擠壓損傷，無明顯變形，因此滾道損傷也不是造成軸承損壞的主要原因。從滾珠斷口分析結果可知，軸承中多個滾珠出現過載斷裂，而從滾珠金相檢驗及硬度測試結果可以看出滾珠的顯微組織正常，硬度合格，滾珠要受到超過斷裂強度(GCr15軸承鋼的斷裂強度2 155～2 550 MPa[12])的應力才會發生破裂，而滾珠在預定的軌道滾動，不可能產生這么高的應力。軸承內滾道表面存在滾珠局部擠壓損傷和劃傷痕跡，說明滾珠存在偏離預定軌道運行的情況，當滾珠偏離預定軌道時，會產生應力集中，可導致局部應力明顯增大，為滾珠的破裂提供了條件。由此可知，滾珠過載破裂并非材料冶金缺陷引起的，而是滾珠偏離預定軌道導致應力異常所致，也就是說，滾珠偏離軌道在先，破裂在后，滾珠破裂不是軸承破壞的主要原因。根據軸承保持架宏觀觀察結果可知，破壞軸承的保持架發生變形、脫扣，運轉不靈活軸承的保持架發生錯位、變形，因此判斷軸承保持架出現異常是該軸承失效的主要原因，是導致傳動系統卡滯的直接原因。

軸承保持架的作用主要是約束滾珠位置，使其均勻分布，并引導滾珠在正確的軌道滾動。該卡滯傳動系統軸承的保持架為浪式帶扣結構，由兩個對稱的浪式結構通過一側保持架自帶的鎖緊邊通過彎曲鎖緊的方式連接，而不是傳統的鉚接等連接方式，而且鎖緊開口方向一致，沒有反向互鎖，這種單側鎖緊方式不能有效鎖緊保持架。當軸承裝配或工作過程中承受沖擊載荷時，兩側保持架易于錯位，甚至脫離，其錯位或脫離都會引起滾珠位置的偏離。當保持架錯位較小時，滾珠能夠靈活運轉，一旦個別錯位偏大，滾珠位置偏離，則保持架就會承受附加應力，發生變形，進而加劇滾珠位置的偏離，直至軸承破壞。

綜上所述，此次工裝傳動系統卡滯的最先失效件為1號傳動齒輪的軸承。其余部件的斷裂、變形或損傷均屬二次損傷。當單側鎖緊的浪帶式帶扣保持架在裝配或工作過程中承受沖擊載荷時，易于錯位、變形，甚至脫扣，并引導滾珠偏離預定軌道滾動，造成滾珠破裂，軸承破壞，進而導致該工裝傳動系統卡滯失效。

3 結論及建議

(1) 1號傳動齒輪軸承單側鎖緊的浪式帶扣保持架在裝配或工作過程中受到沖擊載荷，搭扣錯位變形、脫扣，致使滾珠偏離預定的滾動軌道。當滾珠偏離預定軌道時，因應力集中導致局部應力增大，這為滾珠的破裂提供了應力條件，最終造成滾珠過載斷裂，引起軸承破壞，進而造成齒輪齒牙過載斷裂，導致該工裝傳動系統卡滯失效。

(2) 建議改善軸承保持架結構，換成鉚接結構，以增加保持架承受沖擊載荷的能力；針對該工裝傳動系統的特定結構，更換軸承類型，選擇更適合該結構的滑動軸承進行支撐；規范該傳工裝動系統安裝及使用過程，避免因操作不當引起過載，產生異常沖擊載荷，來延長軸承的使用壽命。