某型直升機發動機軸承磨損失效故障分析

■ 陳海牛 姜道有 卓偉偉 孫歡歡 馬文杰/國營錦江機器廠

1 發動機8號軸承情況

2 冶金分析

某型直升機發動機飛行時金屬屑告警燈亮，著陸后檢查磁性屑末檢測信號器，發現有較多粉末狀金屬屑。對收集的金屬屑進行能譜分析，確認金屬屑成分與8號軸承（材料為GCr15）的材料相近，發動機返廠。

8號軸承在附件傳動中的安裝位置如圖1所示，通過成對雙聯角接觸球軸承與10號滾子軸承共同支承花鍵傳動軸，承受錐齒輪嚙合力。通過研磨配對兩軸承內圈端面，然后將其通過鎖緊螺母壓緊在軸上，進而實現8號軸承的預緊。8號軸承內環與花鍵傳動軸是過盈配合，過盈量為0.022～0.039mm，裝配時將軸承加溫到120～140℃，保 溫5min后裝配到花鍵傳動軸上。

圖1 8號軸承安裝位置示意圖

2.1 宏觀檢查

對8號軸承進行分解檢查，結果如下。

1）外套圈：外套圈跑道面表面呈亮金屬色，存在多條周向劃痕，局部可見剝落現象（見圖2）。

圖2 外套圈跑道面形貌

2）內套圈：內套圈表面均呈金屬色，跑道面靠有字面一側存在寬約3mm、長約2/5圓周的剝落帶（靠有字面剝落坑較大的剝落帶寬度約1.5mm，剝落坑較小的剝落帶寬度約1.5mm），其余3/5圓周為斷續分布的剝落坑（見圖3），無字面一側可見多條周向劃痕。

圖3 內套圈跑道面形貌

3）滾子：所有滾子表面均存在不同程度的劃痕，未見明顯宏觀剝落。

4）保持架：保持架所有兜孔均完整，未見異常擠壓現象。保持架外圓面靠兩端區域存在明顯周向磨損痕跡，磨損部位銀層脫落。

2.2 微觀檢查

1）外套圈：外套圈跑道面可見周向劃痕，靠有字面一側可見顯微剝落現象，剝落坑微觀呈魚鱗形貌（見圖4），為接觸疲勞剝落。

圖4 外套圈跑道面微觀形貌

2）內套圈：內套圈跑道面靠有字面可見明顯剝落現象，剝落坑微觀呈魚鱗形貌，為接觸疲勞剝落（見圖5）。

圖5 內套圈跑道面微觀形貌

3）滾子：12粒滾子存在顯微剝落現象（見圖6）。

圖6 滾子表面微觀形貌

2.3 成分檢查

軸承內外套圈、滾子成分經化學定量分析，結果見表1、表2，均符合相關技術條件要求。

表1 8號軸承上軸承滾子成分分析結果（wt%）

表2 8號軸承上軸承內外套圈成分分析結果（wt%）

2.4 磨削燒傷檢查

依據JB2850、JB1255規定的工藝步驟及參數，順序進行宏觀磨削燒傷檢查，軸承外套圈、內套圈、滾子表面均未見燒傷現象。

2.5 金相檢查

8號軸承經剖切后進行金相組織檢查，非金屬夾雜、顯微組織按冶標（YB）9-68、JB2850進行評定，結果見表3、表4，均符合技術條件要求。內套圈靠有字面一側存在剝落，剝落坑深度約為40～70μm，剝落坑附近可見接觸疲勞裂紋（見圖7）。

圖7 內套圈剝落部位拋光態形貌

表3 8號軸承上軸承內外打套的金相檢查結果

表4 8號軸承上軸承滾子的金相檢查結果

2.6 硬度檢測

對8號軸承內外套圈及滾子進行宏觀硬度檢測，結果見表5，均滿足相關技術條件要求（內外套圈硬度要求HRC 58.5～61.5；滾子硬度要求HRC 61～ 64）。

表5 8號軸承上軸承硬度檢測結果（HRC）

2.7 冶金結論

8號軸承材質及冶金質量符合相關技術條件要求；8號軸承內外套圈及滾子表面存在接觸疲勞剝落。

3 分析討論

1）從冶金分析可知，8號軸承材質及冶金質量符合相關技術條件要求。軸承內外套圈及滾子表面存在的剝落為接觸疲勞剝落。

2） 分 析 認為，設計規定的8號軸承與花鍵傳動軸配合過盈量偏大（設計值0.022～0.032mm，實 測0.028～0.029mm），8號軸承裝配后按規定的力矩對軸承固定螺母進行擰緊時，螺母產生的軸向推力可能小于軸承內環由于過盈量產生的軸向阻力，容易造成軸承內環軸向預緊力過小及裝配不到位情況的發生。

3）在預緊力卸載或未預緊時，8號軸承在推力載荷（Fa）作用下的特性與單個軸承相同。如圖8所示，Fa為成對軸承所受軸向力，F1為下軸承所受軸向力，F2為上軸承所受軸向力。當預緊力正常時，鋼球與外圈能夠形成一定的接觸角（α＞0），接觸位置如圖8上黑色橢圓所示。當軸承未預緊時（見圖9），下軸承由于有軸向力作用，鋼球與外圈能夠形成一定的接觸角（α＞0）；而上軸承由于沒有預緊力和軸向力作用，且在離心力作用下，鋼球與外圈的接觸角為零或與正常的接觸角反向（α≤0），這種情況下，由于鋼球在陀螺力矩的作用下會發生鋼球與滾道滑動，進而加速軸承損壞。

圖8 預緊時8號軸承受軸向力外圈與鋼球接觸示意圖

圖9 未預緊時8號軸承受軸向力外圈與鋼球接觸示意圖

4）對附件傳動單元體進行全面分解，分析認為，復裝時8號軸承未裝配到位，軸向預緊力過小導致8號軸承疲勞剝落。

4 故障結論及糾正措施

發動機金屬屑故障是8號軸承磨損所致；8號軸承磨損的原因是設計規定其內環配合過盈偏大，使8號軸承未裝配到位，造成軸承未預緊，進而導致磨損剝落。

工廠將數據及分析結果傳遞至總師單位，總師單位分析后更改了花鍵傳動軸與8號軸承配合處的尺寸，通過新機設計更改及對外場使用發動機進行的貫改，從根本上避免了故障的再次發生。