高頻擺動(dòng)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承故障分析與改進(jìn)驗(yàn)證

陸超, 蘇文文, 劉紅宇,2

(1.上海市軸承技術(shù)研究所，上海 201801;2.上海特種軸承工程技術(shù)中心，上海 201801)

1 概述

織物自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承因其良好的耐磨性能及長(zhǎng)期免維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于水利、航空和航天等領(lǐng)域[1-3]。

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承GE20-1成對(duì)安裝在飛機(jī)某部位阻尼器桿端的兩側(cè)，在飛行過(guò)程中主要承受阻尼器的徑向載荷，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向的擺動(dòng)，軸承材料見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在軸承定期檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)1套軸承嚴(yán)重?fù)p壞，軸承外觀如圖2所示，其余同機(jī)的3套軸承也不滿(mǎn)足“軸向游隙不大于0.25 mm”的設(shè)計(jì)要求。4套軸承在機(jī)使用時(shí)間470 h，與其使用壽命要求1 000 h相差甚遠(yuǎn)，且排查其他飛機(jī)上GE20-1軸承的軸向游隙，均有不同程度的軸向游隙超差。

表1 GE20-1軸承材料

GE20-1為參考GB/T 9163—2001《關(guān)節(jié)軸承 向心關(guān)節(jié)軸承》E系列設(shè)計(jì)的向心關(guān)節(jié)軸承，軸承外形尺寸見(jiàn)表2。

圖1 GE20-1軸承結(jié)構(gòu)

圖2 故障軸承外觀

表2 GE20-1軸承尺寸

2 故障分析

2.1 襯墊微觀形貌

通過(guò)掃描電鏡觀察圖2中襯墊的磨損情況，發(fā)現(xiàn)不同位置襯墊的磨損不一，桿端側(cè)襯墊磨損程度較嚴(yán)重，其微觀形貌如圖3所示。由圖可知，桿端側(cè)襯墊纖維磨損嚴(yán)重，襯墊編織結(jié)構(gòu)已不可辨別，襯墊在軸承使用工況下的耐磨損性能不佳。

圖3 桿端側(cè)襯墊微觀形貌

2.2 遠(yuǎn)離桿端側(cè)襯墊能譜分析

由于桿端側(cè)襯墊磨損嚴(yán)重，故未進(jìn)行能譜分析。對(duì)遠(yuǎn)離桿端側(cè)襯墊進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 遠(yuǎn)離桿端側(cè)襯墊的能譜分析

表3 遠(yuǎn)離桿端側(cè)襯墊的能譜分析結(jié)果

圖4中可清晰觀察到纖維的編織方式，遠(yuǎn)離桿端處襯墊比桿端側(cè)襯墊(圖3)磨損較輕，說(shuō)明襯墊存在偏磨。

由表3中各種元素的百分比可知：襯墊摩擦表面存在少量Cr元素，說(shuō)明襯墊與內(nèi)圈球面鍍硬鉻層對(duì)磨過(guò)程中，球面鍍硬鉻層磨損、脫落并保留在摩擦面。

2.3 內(nèi)圈球面鍍硬鉻層的厚度

對(duì)內(nèi)圈球面鍍硬鉻層的形貌進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，如圖5所示。

圖5 內(nèi)圈球面鍍硬鉻層SEM圖片

由圖5可知：a端鍍硬鉻層磨損較輕，厚度剩10～11 μm；b端鍍硬鉻層已快磨穿，厚度僅剩1～2 μm。說(shuō)明該使用工況下，內(nèi)圈球面涂層單邊磨損嚴(yán)重，涂層的耐磨損性能需進(jìn)一步提升。

2.4 小結(jié)

經(jīng)軸承故障分析發(fā)現(xiàn)：在使用工況下，襯墊和內(nèi)圈球面鍍硬鉻層耐磨損性能不佳，且均出現(xiàn)了偏磨現(xiàn)象，磨損嚴(yán)重處表現(xiàn)為襯墊磨穿和鍍硬鉻涂層僅剩1～2 μm。需改善襯墊和內(nèi)圈球面涂層的耐磨損性能，以提升軸承的磨損壽命。

鍍硬質(zhì)合金硬度[5-8]達(dá)1 200～1 400 HV，且硬度層可增至0.1 mm以上，能保證內(nèi)圈球面有足夠厚度的耐磨涂層。改進(jìn)原CD1#襯墊的編織結(jié)構(gòu)[9]和復(fù)合纖維中聚四氟乙烯(PTFE)的含量，增加摩擦面PTFE的含量，改進(jìn)后襯墊編號(hào)為CD2#，CD3#，襯墊信息見(jiàn)表4。

表4 襯墊信息

3 改進(jìn)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

3.1.1 試驗(yàn)軸承

通過(guò)篩選、組合后確定的試驗(yàn)軸承信息見(jiàn)表5。

表5 GE20軸承信息

3.1.2 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)軸承使用工況，確定試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表6，要求軸承在徑向載荷下可實(shí)現(xiàn)繞x軸和z軸擺動(dòng)。

表6 試驗(yàn)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

磨損試驗(yàn)在高頻擺動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)(圖6)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、擺動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等組成。

圖6 高頻擺動(dòng)試驗(yàn)機(jī)

3.2.2 操作步驟

1)將試驗(yàn)軸承安裝在工裝桿端座孔內(nèi)，如圖6所示，在軸承內(nèi)外圈端面做好標(biāo)記，記錄軸承外圈、內(nèi)圈及桿端座孔之間的相對(duì)位置，以保證拆裝后對(duì)磨面始終不變；

2)將試驗(yàn)軸承與試驗(yàn)軸配合后安裝在試驗(yàn)臺(tái)上；

3)調(diào)試設(shè)備，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)軸承施加18 kN的徑向載荷，保壓15 min，隨后按表6中的試驗(yàn)參數(shù)開(kāi)啟擺動(dòng)磨損試驗(yàn)。

3.2.3 判定依據(jù)

1)驗(yàn)證試驗(yàn)：軸承磨損100 h后軸向游隙不大于0.05 mm；

2)壽命試驗(yàn)：軸承磨損1 500 h后軸向游隙不大于0.25 mm。

3.2.4 數(shù)據(jù)采集要求

1)試驗(yàn)前，檢測(cè)并記錄軸承軸向游隙；

2)開(kāi)始試驗(yàn)后，每完成100 h磨損試驗(yàn)，檢測(cè)軸承軸向游隙。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 100 h驗(yàn)證試驗(yàn)

100 h驗(yàn)證試驗(yàn)前后軸承軸向游隙見(jiàn)表7，試樣狀態(tài)如圖7所示。

表7 100 h磨損后軸承的軸向游隙

圖7 100 h磨損后內(nèi)圈球面外貌

由表7和圖7可知：

1)原軸承GE20-1經(jīng)100 h磨損后軸向游隙超標(biāo)，改進(jìn)軸承GE20-2，GE20-3的軸向游隙合格，GE20-2的軸向游隙最小；

2)內(nèi)圈球面鍍硬鉻層已出現(xiàn)磨損，且形成了明顯磨痕，而硬質(zhì)合金層球面光亮僅有少量擦痕，耐磨性能較好。

經(jīng)100 h驗(yàn)證試驗(yàn)，GE20-2軸承性能最佳，故篩選GE20-2進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

3.3.2 1 500 h壽命試驗(yàn)

完成2套GE20-2(3#，4#)軸承的1 500 h磨損壽命試驗(yàn)，繪制軸承軸向游隙隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)(圖8)，試驗(yàn)后軸承如圖9所示。

圖8 GE20-2軸承軸向游隙的變化曲線(xiàn)

圖9 1 500 h磨損后3#GE20-2軸承內(nèi)圈球面外貌

1)經(jīng)1 500 h壽命試驗(yàn)后,2套GE20-2軸承軸向游隙均滿(mǎn)足不大于0.25 mm的使用要求，且試驗(yàn)的重復(fù)性較好。

2)試驗(yàn)后內(nèi)圈球面有一定寬度的磨痕，無(wú)手感深度，球面光亮，涂層耐磨性良好。

3.3.3 飛機(jī)使用對(duì)比

根據(jù)客戶(hù)要求，改進(jìn)后軸承需滿(mǎn)足“飛行300 h軸向游隙不大于0.25 mm”的要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)效果，對(duì)8套GE20-1，GE20-2軸承分別進(jìn)行了300 h裝機(jī)試驗(yàn)(GE20-1軸承飛行200 h軸向游隙已超標(biāo)，停止試驗(yàn))，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 改進(jìn)前后GE20軸承軸向游隙

繪制改進(jìn)前后軸承游隙概率密度函數(shù)，如圖10所示，求得軸向游隙為0.25 mm時(shí)概率值(概率密度曲線(xiàn)的積分)分別為F1=0.067和F2=1。

圖10 軸承軸向游隙概率密度函數(shù)

說(shuō)明軸承GE20-1僅有6.7%可通過(guò)“使用200 h、軸向游隙不大于0.25 mm”的要求，GE20-2可100%通過(guò)“使用300 h軸向游隙不大于0.25 mm”的要求。軸承磨損性能顯著提升，且軸向游隙數(shù)據(jù)離散性降低，改進(jìn)效果明顯。

4 結(jié)論

1)GE20-1軸承改進(jìn)前內(nèi)圈球面鍍硬鉻層和襯墊耐磨性能不佳，磨損過(guò)程中出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

2)內(nèi)圈球面采用硬質(zhì)合金涂層和改進(jìn)襯墊CD2#的軸承GE20-2，在驗(yàn)證試驗(yàn)中100 h磨損性能最佳，1 500 h磨損下滿(mǎn)足軸向游隙不大于0.25 mm的要求，可作為軸承改進(jìn)件。

3)軸承GE20-2可100%通過(guò)“飛行300 h軸向游隙不大于0.25 mm”的要求。