高頻擺動自潤滑關節軸承故障分析與改進驗證

陸超, 蘇文文, 劉紅宇,2

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

1 概述

織物自潤滑關節軸承因其良好的耐磨性能及長期免維護的經濟性，廣泛應用于水利、航空和航天等領域[1-3]。

自潤滑關節軸承GE20-1成對安裝在飛機某部位阻尼器桿端的兩側，在飛行過程中主要承受阻尼器的徑向載荷，可同時實現2個方向的擺動，軸承材料見表1，結構如圖1所示。在軸承定期檢查過程中，發現1套軸承嚴重損壞，軸承外觀如圖2所示，其余同機的3套軸承也不滿足“軸向游隙不大于0.25 mm”的設計要求。4套軸承在機使用時間470 h，與其使用壽命要求1 000 h相差甚遠，且排查其他飛機上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《關節軸承 向心關節軸承》E系列設計的向心關節軸承，軸承外形尺寸見表2。

圖1 GE20-1軸承結構

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

通過掃描電鏡觀察圖2中襯墊的磨損情況，發現不同位置襯墊的磨損不一，桿端側襯墊磨損程度較嚴重，其微觀形貌如圖3所示。由圖可知，桿端側襯墊纖維磨損嚴重，襯墊編織結構已不可辨別，襯墊在軸承使用工況下的耐磨損性能不佳。

圖3 桿端側襯墊微觀形貌

2.2 遠離桿端側襯墊能譜分析

由于桿端側襯墊磨損嚴重，故未進行能譜分析。對遠離桿端側襯墊進行能譜分析，結果如圖4所示，分析結果見表3。

圖4 遠離桿端側襯墊的能譜分析

表3 遠離桿端側襯墊的能譜分析結果

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

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，說明襯墊與內圈球面鍍硬鉻層對磨過程中，球面鍍硬鉻層磨損、脫落并保留在摩擦面。

2.3 內圈球面鍍硬鉻層的厚度

對內圈球面鍍硬鉻層的形貌進行微觀結構觀察，如圖5所示。

圖5 內圈球面鍍硬鉻層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。說明該使用工況下，內圈球面涂層單邊磨損嚴重，涂層的耐磨損性能需進一步提升。

2.4 小結

經軸承故障分析發現：在使用工況下，襯墊和內圈球面鍍硬鉻層耐磨損性能不佳，且均出現了偏磨現象，磨損嚴重處表現為襯墊磨穿和鍍硬鉻涂層僅剩1～2 μm。需改善襯墊和內圈球面涂層的耐磨損性能，以提升軸承的磨損壽命。

鍍硬質合金硬度[5-8]達1 200～1 400 HV，且硬度層可增至0.1 mm以上，能保證內圈球面有足夠厚度的耐磨涂層。改進原CD1#襯墊的編織結構[9]和復合纖維中聚四氟乙烯(PTFE)的含量，增加摩擦面PTFE的含量，改進后襯墊編號為CD2#，CD3#，襯墊信息見表4。

表4 襯墊信息

3 改進試驗

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗軸承

通過篩選、組合后確定的試驗軸承信息見表5。

表5 GE20軸承信息

3.1.2 試驗參數

根據軸承使用工況，確定試驗參數見表6，要求軸承在徑向載荷下可實現繞x軸和z軸擺動。

表6 試驗參數

3.2 試驗方法

3.2.1 試驗設備

磨損試驗在高頻擺動磨損試驗機(圖6)上進行，試驗機系統由加載系統、擺動系統、傳感系統等組成。

圖6 高頻擺動試驗機

3.2.2 操作步驟

1)將試驗軸承安裝在工裝桿端座孔內，如圖6所示，在軸承內外圈端面做好標記，記錄軸承外圈、內圈及桿端座孔之間的相對位置，以保證拆裝后對磨面始終不變；

2)將試驗軸承與試驗軸配合后安裝在試驗臺上；

3)調試設備，設置試驗參數，對軸承施加18 kN的徑向載荷，保壓15 min，隨后按表6中的試驗參數開啟擺動磨損試驗。

3.2.3 判定依據

1)驗證試驗：軸承磨損100 h后軸向游隙不大于0.05 mm；

2)壽命試驗：軸承磨損1 500 h后軸向游隙不大于0.25 mm。

3.2.4 數據采集要求

1)試驗前，檢測并記錄軸承軸向游隙；

2)開始試驗后，每完成100 h磨損試驗，檢測軸承軸向游隙。

3.3 試驗結果

3.3.1 100 h驗證試驗

100 h驗證試驗前后軸承軸向游隙見表7，試樣狀態如圖7所示。

表7 100 h磨損后軸承的軸向游隙

圖7 100 h磨損后內圈球面外貌

由表7和圖7可知：

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

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

經100 h驗證試驗，GE20-2軸承性能最佳，故篩選GE20-2進行壽命試驗。

3.3.2 1 500 h壽命試驗

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

圖8 GE20-2軸承軸向游隙的變化曲線

圖9 1 500 h磨損后3#GE20-2軸承內圈球面外貌

1)經1 500 h壽命試驗后,2套GE20-2軸承軸向游隙均滿足不大于0.25 mm的使用要求，且試驗的重復性較好。

2)試驗后內圈球面有一定寬度的磨痕，無手感深度，球面光亮，涂層耐磨性良好。

3.3.3 飛機使用對比

根據客戶要求，改進后軸承需滿足“飛行300 h軸向游隙不大于0.25 mm”的要求。為進一步驗證改進效果，對8套GE20-1，GE20-2軸承分別進行了300 h裝機試驗(GE20-1軸承飛行200 h軸向游隙已超標，停止試驗)，具體試驗數據見表8。

表8 改進前后GE20軸承軸向游隙

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

圖10 軸承軸向游隙概率密度函數

說明軸承GE20-1僅有6.7%可通過“使用200 h、軸向游隙不大于0.25 mm”的要求，GE20-2可100%通過“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，且軸向游隙數據離散性降低，改進效果明顯。

4 結論

1)GE20-1軸承改進前內圈球面鍍硬鉻層和襯墊耐磨性能不佳，磨損過程中出現偏磨現象。

2)內圈球面采用硬質合金涂層和改進襯墊CD2#的軸承GE20-2，在驗證試驗中100 h磨損性能最佳，1 500 h磨損下滿足軸向游隙不大于0.25 mm的要求，可作為軸承改進件。

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