某新型燃氣輪機低壓前軸承試后失效的原因分析

黃海軍，夏金財，蓮云英，蔡麗萍

（1.浙江省機電產品質量檢測所有限公司，浙江 杭州 310022；2.杭州東華鏈條集團有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

船舶用的燃氣輪機低壓前軸承是承載轉子高速轉動，并將轉子的載荷向外傳遞的承力部件，為燃氣輪機的關鍵部件，使用壽命一般不低于25 000 h。某船舶新型燃氣輪機采用國產研制的低壓前軸承，在裝機使用前需對低壓前軸承的壽命進行臺架加速耐久模擬試驗。

低壓前軸承采用雙半內圈三點接觸球承，外形尺寸為170 mm×280 mm×51 mm，軸承內外圈和鋼球采用8Cr4Mo4V材料。低壓前軸承加速耐久試驗采用中型高速軸承試驗機，為保證加速試驗結果準確和有效，軸承試驗轉速與實際工況一致，僅對軸向和徑向載荷加強2倍，試驗基準時間為運行3000 h。受試的2套軸承運行469 h后，發現軸承振動值異常增大，遂停機檢查，發現其中一套受試軸承外圈因疲勞剝落。按照常規方式進行故障分析，未發現異常情況，并不能判定失效原因，需要對失效軸承進行深入和系統的分析。

1 故障描述

1.1 試驗過程

試驗軸承裝在臺架試驗機中，在試驗機主軸的驅動端和非驅動端各安裝一套受試軸承，中間安裝2套陪試軸承。受試軸承內徑表面與軸承內套外徑表面配合，軸承內套安裝在試驗主軸上，受試軸承外徑表面安裝在端負荷體內孔中。受試軸承采用端面噴射潤滑加環下潤滑的方式，潤滑油進入軸承內腔時的溫度為40~50℃，對軸承潤滑后回流至油箱，軸承產生的熱量將潤滑油加熱，回油溫度為80~90℃。油箱上的冷卻系統對潤滑油進行降溫，降溫后的潤滑油再次對受試軸承進行潤滑形成了循環潤滑。同時，受試軸承外圈溫度維持95~100℃，潤滑油過濾精度為10μm。受試軸承強化壽命試驗條件如表1所示，試驗時，對各工位軸承的載荷、速度、振動、溫度進行監控，試驗運行469 h后，發現工位Ⅰ上的受試軸承失效。

表1 受試軸承強化壽命試驗條件

1.2 試驗結果

1.2.1 形貌檢查

試驗機主軸驅動端上的受試軸承為雙半內圈三點接觸球軸承，未見明顯高溫變色或磕碰傷等缺陷。外圈溝道上的運行軌跡偏離溝底一側，溝道上有一處剝落區域，剝落區域長約25 mm，寬約8.5 mm，溝道未剝落區域上有許多壓痕，未見明顯高溫痕跡（圖1a），內圈溝道上整周運行軌跡正常（圖1b）。鋼球表面呈白亮色，未見明顯剝落和高溫現象；保持架完好未見異常。試驗機主軸非驅動端上的受試軸承及中間陪試軸承均完好，未見明顯異常。

圖1 失效軸承零件外觀

1.2.2 尺寸精度檢測

對受試失效的軸承進行尺寸精度檢測，尺寸精度符合圖紙技術要求，檢測結果如表2所示。

表2 軸承尺寸精度檢測結果

1.2.3 理化檢測

受試失效軸承外圈材料為8Cr4Mo4V，剝落外圈硬度、馬氏體、碳化物、非金屬夾雜物等均符合圖紙技術要求，檢測結果如表3所示。

表3 剝落外圈理化檢測結果

1.2.4 掃描電鏡檢查

在掃描電鏡下對失效軸承外圈溝道剝落區的中間和附近、非滾動接觸區域分別進行檢查，發現剝落區域均可見疲勞輝紋，但未發現明顯非金屬夾雜物和冶金缺陷，剝落部位附近的運行軌道上未剝落區域有點狀凹坑和磨粒磨損（圖2），溝道上非滾動接觸區域有明顯的白色一次碳化物，這表明滾動區域上的點狀凹坑應為一次顆粒碳化物脫落。

圖2 外圈溝道剝落區域附近

1.2.5 試驗過程參數調查

由試驗監控記錄數據的分析結果可知，受試軸承在試驗過程中的轉速、徑向載荷、軸向載荷、外圈溫度均符合試驗技術要求，供油溫度、回油溫度也比較穩定。驅動端和非驅動端的受試軸承振動參數曲線如圖3所示。

圖3 受試軸承振動參數曲線

2 分析與討論

2.1 結果分析

外圈失效形貌具有典型的疲勞剝落特征，導致早期疲勞剝落的因素有很多，軸承設計、材料、制造、運行工況等都會導致外圈剝落[1]。

2.2 設計與制造分析

受試軸承試驗條件為徑向載荷5 kN，軸向載荷30 kN，徑向和軸向的聯合載荷P/C值為0.12，轉速為7736 r/min，利用Weibuill理論計算得出受試軸承基本額定壽命為1294 h[2]。受試軸承試驗基準時間為3000 h，而受試軸承試驗運行時間須達到基本壽命的2.32倍。根據受試軸承運行工況，采用有限元分析計算出受試軸承外圈最大接觸應力為1046 MPa，低于軸承一般的疲勞接觸應力1800 MPa。由此可見軸承的壽命遠長于失效軸承的有效運行時長。

軸承內外圈和鋼球選用的材料為高溫軸承鋼8Cr4Mo4V，其具有較高的高溫穩定性、高溫硬度和高接觸抗疲勞性。加速耐久壽命試驗時，外圈溫度為95~100℃，并且失效軸承外圈的碳化物和非金屬夾雜物的檢測結果均符合相關要求。因此，受試軸承外圈選材及材料品質不合格的因素可以排除。另外，失效軸承外圈硬度、回火穩定性、顯微組織、磨削燒傷等檢測結果均符合相關要求，失效軸承的徑向游隙和軸向游隙、尺寸精度的檢測結果也符合相關要求。

2.3 試驗運行過程分析

受試軸承采用端面噴射潤滑加環下潤滑的方式，而失效軸承外圈溝道上的剝落區域附近未見明顯高溫粘著和磨損跡象，因此，外圈剝落與潤滑不良不存在直接關聯。

失效軸承剝落區域下方存在多條裂紋，裂紋從外圈次表層向溝道表面擴展，表明裂紋起源于溝道次表層。剝落區域附近存在一次碳化物脫落現象，表明溝道表面也受到較大的接觸應力。因此，受試軸承試驗過程中受到過大的接觸應力是外圈剝落的主要原因。

由圖3可知，在試驗前期，驅動端軸承振動值為40~60 m/s2，而非驅動端軸承振動值低于30 m/s2；在試驗中期，兩者的軸承振動值相當。試驗前期軸承振動值偏大與軸承質量和工裝質量相關。據查，試驗工裝安裝后主軸兩端同軸度為0.05 mm，驅動端的受試軸承靠近試驗電機驅動端，導致在試驗前期驅動端比非驅動端的軸承振動值大；試驗中后期試驗工裝經跑合后振動值趨于減小，并達到了穩定狀態。驅動端受試軸承在較高的振動環境中高速高載運轉，軸承外圈受到了異常的沖擊，導致外圈接觸應力過大而產生疲勞剝落[3]。

3 試驗驗證

受試軸承加速耐久壽命試驗屬于高速重載運轉的試驗。對于高速重載耐久壽命試驗，試驗工裝同軸度及其動平衡尤為關鍵。受試軸承的耐久壽命試驗要求試驗工裝安裝在主軸上后，主軸兩端同軸度低于0.02 mm，動平衡試驗低于4 g，試前工裝質量達到該要求后才能進行試驗。

再次按要求進行試驗的過程中，驅動端和非驅動端的軸承振動值試驗在前期都低于25 m/s2，試驗過程中受試軸承的振動值較穩定，受試軸承符合加速耐久試驗基準時間達到3000 h的要求。

4 結語

受試軸承外圈屬于典型的疲勞剝落失效，與軸承試驗運轉過程中受到過大的接觸應力有關。因此在臺架壽命試驗的過程中，要盡量模擬整機的使用工況，對軸承載荷譜、潤滑系統和安裝進行控制，對高速重載試驗的試驗工裝尺寸精度、動平衡等影響因素也需要尤為關注。對試驗工裝改進后，受試軸承順利通過了加速耐久試驗，這不僅驗證了失效分析的正確性，也為重載高速模擬試驗及重載高速軸承安裝運行提供了一定的理論依據。