李權，柴志剛，陳林，興長喜，徐志剛

(1.北京航空工程技術研究中心，北京 100076；2.中國人民解放軍第五七零一工廠，成都 610207；3.駐哈爾濱軸承集團公司軍事代表室，哈爾濱 150060)

1 失效軸承檢查

某型直升機發(fā)動機在工作中出現報警，對發(fā)動機分解檢查發(fā)現磁堵上有片狀金屬屑，經確認該金屬屑來自于減速器主動齒輪前軸承滾子。主動齒輪軸承規(guī)定壽命為1 000 h，發(fā)生故障時軸承實際使用不到100 h。

減速器采用主動齒輪和中間齒輪兩級外圓柱斜齒輪減速，主動齒輪由前后兩套結構相同的圓柱滾子軸承支承。該軸承采用實體保持架，外圈帶安裝邊和雙擋肩，無內圈，內滾道為主動齒輪軸頸；軸承外圈通過安裝邊固定在減速器機匣上；軸承dmn值達到1.87×106mm·r·min-1。失效軸承位于主動齒輪的輸入端。

1.1 外觀檢查

失效軸承分解后如圖1所示。在軸承12粒滾子中有3粒滾子工作面產生損傷，損傷區(qū)域呈扇形，周向長約4 mm，徑向寬約1 mm。軸承外滾道和主動齒輪軸滾道上有局部剝落和磨損現象，保持架沒有明顯損傷。

圖1 軸承損傷情況

在體視顯微鏡下對損傷滾子進行觀察，其外觀如圖2所示。滾子損傷區(qū)域大小有差異，但位置相當，均位于靠近端部的工作面上，且其斷口上有比較明顯的疲勞弧線特征，為疲勞剝落。

圖2 剝落滾子

1.2 微觀檢查

選取1顆典型的剝落滾子，利用ZEISS SUPRA 55VP掃描電子顯微鏡對其進行觀察，滾子剝落部位如圖3所示?？梢娚刃蝿兟湮挥跐L子倒角和工作面末端，倒角部分斷口較粗糙，主要表現為放射棱線，工作面部分斷口比較平坦，有從倒角側起始沿軸向的放射棱線，并可見疲勞弧線，整個剝落斷口呈高應力疲勞斷裂特征。斷口疲勞擴展區(qū)微觀形貌如圖4所示，疲勞區(qū)已發(fā)生磨損并呈現出漣波花樣。疲勞剝落起源于滾子外表面，起源部位特征如圖5所示，滾子疲勞剝落呈線性多源起始的特點，疲勞源區(qū)未見明顯的材質和冶金缺陷。滾子剝落相鄰部位也已出現層狀疲勞剝落(圖6)。

圖3 滾子剝落部位電鏡形貌

圖4 斷口上疲勞擴展區(qū)微觀形貌

圖5 疲勞斷裂起源部位特征

圖6 剝落相鄰部位的層狀剝落

1.3 組織和硬度檢查

利用NORAN X射線能譜儀對滾子成分進行分析，滾子能譜圖如圖7所示，滾子成分符合Cr4Mo4V要求，未發(fā)現異常。

圖7 滾子能譜圖

對剝落滾子組織進行檢查，其組織為回火馬氏體(圖8)，符合Cr4Mo4V高溫軸承鋼淬火+低溫回火熱處理狀態(tài)，未發(fā)現夾雜物超標或網狀碳化物等異常組織。

圖8 剝落滾子組織

利用洛氏硬度計對滾子硬度進行檢查，硬度為62.5～63 HRC，符合Cr4Mo4V高溫軸承鋼滾子的硬度要求。

2 輪廓測量

利用TAYLOR HOBSON S4C型輪廓儀對不同批次的新軸承、故障軸承的滾子和外滾道輪廓及其他相關尺寸進行了測量。故障發(fā)動機的主動齒輪軸軸頸(相當于軸承內滾道)測量結果正常，滾子和外滾道輪廓測量結果見表1。

表1 滾子和外滾道輪廓測量結果

測量結果顯示，故障軸承的外滾道邊緣有凸起，同型新品軸承外滾道正常；軸承滾子凸度控制不嚴格，檢查包括故障軸承在內共6套軸承的滾子，其中3套軸承內安裝的滾子凸度偏小，1套軸承內安裝的滾子凸度偏大，滾子凸度不符合標準的現象比較普遍(針對該型軸承，某公司企標規(guī)定，滾子凸度為3～6 μm)。故障軸承內已經發(fā)生剝落的滾子無法進行凸度測量，凸度合格的結果只適用于其他未剝落滾子。

對故障軸承滾子的直徑相互差和長度相互差進行測量，直徑相互差為2.3 μm，大大超出了標準值0.7 μm；長度相互差為2μm，符合標準要求。

3 分析討論

3.1 失效形式

通常，滾動體磨損失效產生的顆粒小且磨損過程是漸進的，而滾動體疲勞剝落顆粒較大且失效過程具有突發(fā)性。從本次故障件外觀及斷口觀察結果看，軸承中除了3粒滾子端部發(fā)生疲勞剝落外，未發(fā)現軸承其他組件有明顯的損傷。分析認為，發(fā)動機減速器主動齒輪前軸承失效形式為滾子端部疲勞剝落。

3.2 失效原因分析

剝落滾子斷口檢查結果顯示，失效為高應力疲勞剝落所致，疲勞剝落起源于滾子外表面，且疲勞起源位置未發(fā)現明顯的材質和冶金缺陷。滾子原材料及熱處理等均正常，符合制造技術標準。從故障現象看，規(guī)定壽命為1 000 h的軸承僅使用了不到100 h就在滾子端部的工作面上出現了疲勞剝落，表明軸承在工作中承受了非正常的載荷，滾子端部承受了較大的應力。從發(fā)動機使用及檢修情況來看，主動齒輪軸的同軸度符合相關技術標準要求，未發(fā)現與故障現象有關聯(lián)的特殊工況。

為了改善滾子的載荷分布，通常將滾子和套圈滾道加工成帶凸度的，滾子凸度適當會有效降低滾子端部的應力水平，降低疲勞破壞。本案故障軸承的12粒滾子中只有3粒出現了疲勞剝落，且疲勞剝落均發(fā)生在滾子端部，這說明軸承中滾子端部受力狀況不一致，發(fā)生疲勞剝落的3粒滾子承載較大，端部存在明顯的應力集中現象。這說明個別滾子凸度過小可能是本次故障的根本原因。

軸承輪廓復測結果顯示，故障軸承外滾道邊緣有局部凸起；滾子凸度或大或小，不符合標準的現象比較普遍。分析認為，發(fā)生破壞的3粒滾子存在凸度過小的問題，在大應力作用下，滾子端面附近出現非常大的應力集中，導致滾子在使用中發(fā)生早期疲勞破壞，并在滾道邊緣上形成了凸起。

故障軸承滾子直徑相互差和長度相互差測量結果顯示：滾子長度相互差符合標準值，而滾子直徑相互差則大大超出了標準值。直徑相互差大會導致滾子受力狀況不一致，直徑大的滾子承載較大，因此，滾子直徑相互差大也是導致個別滾子過載和提前發(fā)生疲勞剝落的重要因素。

3.3 軸承表面質量與振動測試

軸承失效多發(fā)生在其表面或表層，表層的質量對軸承的使用壽命是至關重要的[1]，本次故障正是由于表面質量不良導致了早期疲勞失效。

在生產過程中,軸承的質量檢查主要是目視外觀檢查以及游隙、旋轉靈活性、噪聲、無損檢測和殘磁測量等相關的檢查，來保證軸承產品的質量。由于軸承產品本身的特殊性，目前的檢查及處理方法存在薄弱環(huán)節(jié)，需要增加新的檢測方法和手段。本次故障檢查中所用的輪廓儀是測量軸承表面質量的可靠工具，也正是利用這一工具，才為本次故障的準確判定提供了有力證據。但是，輪廓儀測量效率較低，不適宜直接用于生產。

振動測試作為軸承故障監(jiān)測的另一種方法，近些年來已經得到了比較廣泛的應用與發(fā)展[2-4]，被逐漸應用于低噪聲軸承的終檢中，并制定了相關的技術標準。根據相關研究，振動值作為軸承動態(tài)性能指標，可以反映出軸承制造精度方面的諸多因素[5]，包括套圈滾道的圓度及波紋度，滾動體的圓度，甚至包括套圈滾道和滾動體的表面粗糙度、直徑差。因此，從某種程度上看，振動測試甚至可以認為是反映了包括設計及加工質量在內的綜合測試。就本次故障而言，如果進行振動測試，應該可以在檢驗階段即發(fā)現該質量問題而不至于造成使用現場故障。

4 結論與建議

(1)發(fā)動機減速器主動齒輪前軸承失效模式為滾子端頭疲勞剝落。

(2)軸承個別滾子凸度過小是導致故障的根本原因；滾子直徑相互差大使個別滾子承載較大，是導致滾子發(fā)生疲勞剝落的重要因素。

(3)為了有效控制制造質量不良帶來的隱患，建議軸承生產廠家盡快開展針對該類軸承振動測試的研究，制定相應的標準，將振動檢測應用到該型軸承的生產現場中。