航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承外圈開裂分析

呂彪，李堅(jiān)，何劉海，成曉鳴

(中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

滾動(dòng)軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，也是易損壞件，據(jù)統(tǒng)計(jì)30%航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障由軸承故障引起[1]，常見軸承失效形式有疲勞、磨損、腐蝕、斷裂等[2]。在某些情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此對軸承失效進(jìn)行相關(guān)研究非常必要；然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承工作轉(zhuǎn)速高，工況惡劣，失效的影響因素復(fù)雜，失效形式和形貌不同，給軸承失效分析帶來困難。

針對上述問題，相關(guān)學(xué)者從軸承的失效形貌和機(jī)理方面進(jìn)行研究：文獻(xiàn)[3]從材料、 加工、熱處理、磨削和裝配等方面歸納了軸承套圈常見的缺陷，并提出預(yù)防措施；文獻(xiàn)[4-7]對軸承內(nèi)圈開裂故障進(jìn)行了分析， 通過斷口觀察和金相分析認(rèn)為故障主要由材料缺陷或加工缺陷引起；文獻(xiàn)[8-11]對軸承保持架疲勞斷裂進(jìn)行了分析，認(rèn)為系統(tǒng)異常振動(dòng)、 保持架設(shè)計(jì)不合理和軸承異常運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成保持架疲勞斷裂；文獻(xiàn)[12-13]對軸承外圈斷裂進(jìn)行了分析，認(rèn)為加工缺陷是引起軸承外圈斷裂的主要原因；文獻(xiàn)[14-16]利用有限元法計(jì)算了軸承零件的應(yīng)力分布，根據(jù)應(yīng)力分布對軸承零件優(yōu)化改進(jìn)。

上述文獻(xiàn)大多針對軸承疲勞斷裂失效的形式和形貌進(jìn)行研究，少有結(jié)合應(yīng)力分析和試驗(yàn)對軸承疲勞斷裂原因進(jìn)行分析。鑒于此，本文首先進(jìn)行軸承外圈疲勞開裂處的斷口分析，然后通過振動(dòng)應(yīng)力測試、應(yīng)力仿真計(jì)算和振動(dòng)疲勞試驗(yàn)分析軸承外圈疲勞開裂的原因并提出改進(jìn)措施。

1 斷口分析

軸承外圈材料為Cr4Mo4V，軸承外圈開裂外觀如圖1所示：裂紋位于圖中左側(cè)蝴蝶結(jié)與外圈外圓面轉(zhuǎn)接處(圖中R處)，沿軸向分布并貫穿整個(gè)外圈壁厚。裂紋位置附近可見線切割加工熔融痕跡(圖2)。

圖1 軸承外圈裂紋外觀

圖2 斷口附近表面線切割熔融痕跡

外圈裂紋斷口宏觀形貌如圖3所示：斷面呈淺灰色，可見明顯的疲勞弧線；從疲勞弧線收斂方向來看，裂紋起始于外圈外圓面與蝴蝶結(jié)轉(zhuǎn)接處表面，表現(xiàn)為線源，疲勞源區(qū)可見明顯疲勞臺(tái)階，沿外圈徑向及軸向擴(kuò)展；疲勞擴(kuò)展區(qū)存在明顯的放射棱線，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面的1/2。

圖3 外圈裂紋斷口宏觀形貌

疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖4所示，可見明顯的疲勞條帶和二次裂紋。

圖4 疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

通過斷口分析可知，軸承外圈開裂屬于高周疲勞失效，但不能精確給出裂紋產(chǎn)生原因。分析裂紋產(chǎn)生的可能原因：1)振動(dòng)應(yīng)力過大導(dǎo)致軸承外圈疲勞開裂；2)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力過大，許用振動(dòng)應(yīng)力小，即使較小的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致軸承外圈疲勞開裂；3)軸承外圈存在一定缺陷，其高周疲勞強(qiáng)度較小。因此，需要開展振動(dòng)應(yīng)力測試獲得軸承外圈裂紋起始位置的振動(dòng)應(yīng)力，開展計(jì)算分析獲得軸承外圈的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，并進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)獲取軸承外圈裂紋起始位置的高周疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而分析軸承外圈開裂原因。

2 振動(dòng)應(yīng)力測試

為獲得運(yùn)行過程中軸承外圈振動(dòng)應(yīng)力分布，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車過程中使用32通道DEWE-M7S應(yīng)變測量儀測量軸承外圈的振動(dòng)應(yīng)力。

根據(jù)軸承外圈裂紋起始位置、裂紋走向、受力情況以及模態(tài)應(yīng)力分布情況，確定的5個(gè)振動(dòng)應(yīng)力測量應(yīng)變計(jì)位置如圖5所示：均沿周向貼片，S1和S2靠近裂紋起始位置，S1，S3分別與S4，S5關(guān)于中面對稱。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，測量軸承外圈的振動(dòng)應(yīng)力。

圖5 應(yīng)變計(jì)位置

S1測點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力瀑布圖如圖6所示：軸承外圈沒有發(fā)生明顯共振，振動(dòng)應(yīng)力主要頻率成分為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻及其2倍頻和3倍頻，且基頻(708.01 Hz)成分最大，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，即軸承外圈振動(dòng)主要由燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子不平衡載荷引起的激振力激起。

圖6 S1測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力瀑布圖

振動(dòng)應(yīng)力最大時(shí)各測點(diǎn)的頻譜圖如圖7所示：S1測點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力最大，最大振動(dòng)應(yīng)力總量為59.7 MPa。

圖7 振動(dòng)應(yīng)力最大時(shí)各測點(diǎn)頻譜圖

因裂紋起始位置無法粘貼應(yīng)變計(jì)，需要通過仿真計(jì)算應(yīng)變計(jì)位置與裂紋起始位置之間振動(dòng)應(yīng)力的比值關(guān)系，進(jìn)而換算出裂紋起始位置的振動(dòng)應(yīng)力值。

3 仿真計(jì)算分析

使用有限元軟件ANSYS中的10節(jié)點(diǎn)四面體單元對軸承外圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將軸承外圈安裝面固定，在滾道面施加220 N徑向力、35 N軸向力，溫度為60 ℃，得到裂紋起始位置穩(wěn)態(tài)應(yīng)力為19 MPa。

將軸承外圈安裝面固定，在滾道面施加頻率為708 Hz，大小為1 N的激振力，計(jì)算得到軸承外圈振動(dòng)應(yīng)力分布如圖8所示。最大振動(dòng)應(yīng)力位于R處，與裂紋起始位置吻合，且S1測點(diǎn)處振動(dòng)應(yīng)力為R處振動(dòng)應(yīng)力的25%。上節(jié)測得S1測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力為59.7 MPa，換算得到裂紋起始位置振動(dòng)應(yīng)力為238.8 MPa。從計(jì)算分析可知，裂紋起始位置的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力為19 MPa，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，振動(dòng)應(yīng)力為238.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料的疲勞極限。

圖8 軸承外圈振動(dòng)應(yīng)力分布

4 疲勞試驗(yàn)

為獲得軸承外圈R處的疲勞強(qiáng)度，通過切割軸承外圈獲得疲勞試驗(yàn)件。試驗(yàn)件安裝示意圖如圖9所示，用螺栓將試驗(yàn)件固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)面上，施加頻率為試驗(yàn)件一階固有頻率的激振力，激起試驗(yàn)件共振，至試驗(yàn)件出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展至一定程度。在夾持部位施加固定約束，得到疲勞試驗(yàn)件振型和振動(dòng)應(yīng)力分布如圖10所示：試驗(yàn)件一階頻率為1 612 Hz，一階最大振動(dòng)應(yīng)力位于軸承外圈R處。

圖9 試驗(yàn)件安裝示意圖

(a)試驗(yàn)件模型

為研究線切割產(chǎn)生的熔融層對軸承外圈疲勞強(qiáng)度的影響，共設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)件：第1種試驗(yàn)件表面沒有進(jìn)行處理，保留熔融層，共6件；第2種試驗(yàn)件將表面的熔融層拋除，共3件。2種狀態(tài)試驗(yàn)件疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 2種狀態(tài)軸承外圈試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，帶熔融層試驗(yàn)件平均疲勞強(qiáng)度為719 MPa，有77.2%的分散度，分散性較大，主要由試驗(yàn)件熔融層深度不同引起，熔融層深度越大，疲勞強(qiáng)度越低。拋去熔融層試驗(yàn)件平均疲勞強(qiáng)度為1 188 MPa，比帶熔融層試驗(yàn)件平均疲勞強(qiáng)度高65.3%，并且分散度較小。可以看出，線切割產(chǎn)生的熔融層大幅降低了軸承外圈疲勞強(qiáng)度，并且分散性很大，實(shí)際產(chǎn)生裂紋的軸承外圈的疲勞強(qiáng)度比340 MPa更低。

5 結(jié)論

結(jié)合應(yīng)力計(jì)算和疲勞試驗(yàn)對軸承外圈開裂的原因進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)斷口分析表明軸承外圈開裂屬于高周疲勞失效。

2)軸承外圈裂紋起始位置穩(wěn)態(tài)應(yīng)力為19 MPa，遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限；軸承外圈振動(dòng)由燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子不平衡載荷產(chǎn)生的激振力引起，最大振動(dòng)應(yīng)力為238.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料疲勞極限。

3)線切割產(chǎn)生的熔融層是軸承外圈出現(xiàn)裂紋的主要原因。對于使用線切割加工的軸承零件，應(yīng)采用必要措施控制熔融層的產(chǎn)生，并在線切割后將熔融層去除。