梁霄，賈朝波，高福達，魏濤

(1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，沈陽 110862;2. 駐沈陽黎明發(fā)動機制造公司軍事代表室，沈陽 110043)

發(fā)動機主軸軸承質量是影響發(fā)動機壽命與可靠性的重要因素之一。飛機在飛行過程中，如果發(fā)動機主軸軸承發(fā)生故障，其后果不堪設想[1]。某部雙座機當日飛行第4個架次，左發(fā)空中報“降轉”信號，飛行員將油門拉至慢車，降轉信號仍不消失，發(fā)動機拉停。著陸后地面潤滑油光譜分析Fe含量嚴重超標，高壓轉子無法搖轉，油濾及金屬屑末信號器附著大量金屬屑末。復查故障次飛行發(fā)生前的潤滑油光譜檢查結果均符合要求，無異常的超標和增長跡象。為此，決定將該發(fā)動機返回廠內開展相關的分析研究工作。

該發(fā)動機返廠后按大組合件分解檢查發(fā)現(xiàn)三點接觸球軸承失效，軸承保持架碎裂，中腔潤滑油系統(tǒng)相關部件異常。通過進行理化檢測，著重分析了故障痕跡和相關的異常部件，以找出軸承保持架碎裂故障的主要原因。

1 故障類型

1.1 軸承失效

分解檢查發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機高壓轉子三點接觸球軸承失效，保持架碎裂，部分鋼球磨損，套圈溝道表面有擠壓痕跡，如圖1和圖2所示。

圖1 保持架碎裂形貌

圖2 鋼球、套圈故障形貌

1.2 相關部件異常

發(fā)動機進行分解后，在中介機匣潤滑油腔下部回油濾網(wǎng)附近發(fā)現(xiàn)螺釘2個、壓板1個、墊片1件、大量金屬屑及金屬碎塊若干，故障形貌如圖3所示。中央傳動錐齒輪下方封氣工藝堵蓋、螺釘及墊片脫落，故障形貌如圖4所示。

圖3 中介機匣內的碎屑

圖4 封油擋板脫落

2 故障分析

只要選型得當，維護和潤滑良好，滾動軸承使用壽命一般均大于其計算壽命。但由于使用過程中受各種因素的影響，有時會出現(xiàn)意料以外的早期損壞[2]。

保持架材料本身強度并不高且屬薄壁件，在運動過程中一旦變形過大，即使本身不發(fā)生疲勞開裂，保持架本身的變形也可以使?jié)L動體承受的載荷失去均勻性，從而使保持架發(fā)生疲勞斷裂[3]。

2.1 軸承結構及潤滑分析

三點接觸球軸承裝配在某發(fā)動機高壓壓氣機前支點上,內圈旋轉。該軸承的潤滑冷卻采用端面噴射加環(huán)下潤滑的復合供油方式，前后共有3個噴嘴，前后2個端面的噴嘴將滑油噴入軸承內圈與保持架之間，軸承的前端有收油環(huán)，將前端噴嘴噴入的滑油傳遞至軸承內圈進行環(huán)下潤滑(圖5)。

圖5 軸承潤滑方式

2.2 理化分析

對分解后的三點接觸球軸承內圈、外圈、鋼球及保持架 (內、外圈和鋼球材料為Cr4Mo4V；保持架表面鍍銀處理，材料為40CrNiMoA) ，中央傳動齒輪機匣等損傷件和發(fā)現(xiàn)的碎塊、金屬絲以及外場、廠內分解時收集到的金屬碎屑、油液進行了理化檢驗和分析。

2.2.1 碎屑檢驗

對滑油濾、金屬屑末報警器、磁塞上以及中介機匣中收集到的碎屑進行了能譜檢查，其中主要的成分為Cr4Mo4V，1Cr13，40CrNiMoA和Ag。

2.2.2油液檢查

對外場收集的滑油進行理化性能檢測分析，結果見表1。運動黏度和酸值兩項指標均在標準要求范圍內。

表1 滑油分析結果

2.2.3 失效軸承檢查

(1)失效軸承內、外圈溝道表面存在明顯的凹坑，在掃描電鏡下放大觀察，應為滾動接觸疲勞所產生的剝落，溝道剝落形貌如圖6所示。

圖6 失效軸承套圈溝道剝落形貌

軸承內、外圈的基體硬度符合標準要求。外圈溝道面和引導面處發(fā)現(xiàn)明顯的淬火層，外圈引導面的二次淬火層厚度約3～3.5 mm，溝道面二次淬火層約1～1.5 mm。檢查表明，外圈引導面和溝道均由于發(fā)生了嚴重的磨損而產生了高溫。

(2)保持架兜孔工作面及外徑引導面均有嚴重磨損，超過1/2厚度的保持架出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。保持架與鋼球接觸的工作面存在過熱區(qū)，保持架的外引導面也存在過熱區(qū)，圖7中白色區(qū)域為保持架過熱區(qū)。

圖7 保持架外引導面和兜孔過熱痕跡

對保持架兜孔和引導面進行了顯微硬度檢測，結果見表2和表3。

表2 保持架較大碎塊顯微硬度

表3 保持架后端面T形碎塊顯微硬度

從顯微硬度檢測結果可以看出，保持架與鋼球接觸的工作表面由于摩擦導致過熱，溫度超過相變溫度，表面出現(xiàn)淬火現(xiàn)象，導致硬度升高，最高達到了554 HV；與外圈接觸的保持架引導面由于刮擦導致溫度更高，其硬度也更高，最高達到了781 HV。

由于所有保持架碎塊的引導面均存在兩條磨溝，判斷保持架外徑表面的兩條磨溝發(fā)生在保持架斷裂之前。保持架斷口大部分碰磨，斷口特征不明顯，相對保存完好的斷口為疲勞斷口，在斷口處未發(fā)現(xiàn)存在氫脆斷口。

橫梁斷口和側梁斷口均有多源疲勞，疲勞均起始于兜口工作面，疲勞弧線細密(圖8)；側梁斷口幾乎完全磨損，隱約可見疲勞弧線特征，從疲勞弧線方向判斷，疲勞主要起源于兜孔內表面中心區(qū)域，疲勞弧線同樣細密。

圖8 保持架橫梁斷口放大形貌

保持架后端面所有碎塊均有密集分布的撞擊痕跡，撞擊處經能譜分析主要為Ag和基體金屬元素，局部有少量的O,C,Al,Si,Mg和Ti，見表4。

表4 保持架后端面金屬元素

2.3 潤滑條件復查

2.3.1 噴嘴堵塞檢查

現(xiàn)場選用Φ1.2 mm的保險絲對噴孔進行檢查，均可自由進入，并無堵塞現(xiàn)象。

2.3.2 噴嘴流量及噴射方向復測

復查了工廠裝配時的噴嘴流量試驗記錄，所有噴嘴流量和方向均合格。分解后又進行了滑油流量及噴射方向的復測試驗，所有噴嘴的滑油流量均合格。由于前噴嘴3814和后噴嘴3817變形，試驗時滑油噴射方向略有偏轉，但基本仍向軸承供油。結合滑油壓力測試結果，表明失效軸承潤滑冷卻情況良好。

2.4 載荷分析

(1)外場載荷復查。載荷統(tǒng)計結果表明，所有機動載荷均在設計要求范圍內。

(2)中央錐齒輪附加載荷復查。對中央齒箱齒輪印痕原始情況進行復查，符合要求。

(3)軸向載荷。經復查，故障發(fā)動機影響高壓轉子軸向力的相關封嚴件裝配前尺寸均符合要求，不存在軸向力過大的情況。

3 故障模擬試驗

失效分析的理想目標應當是“模式準確，原因明確，機理清楚，措施有力，模擬再現(xiàn)，舉一反三”[4]。為模擬出保持架故障形式，在某軸承試驗臺上進行了模擬試驗。

3.1 同批次軸承試驗

為了驗證軸承質量是否有問題，首先選用與故障軸承同批生產的軸承，在試驗機臺模擬相同工況試驗3 h，試驗過程中潤滑油溫度、轉速均正常。分解檢查被試軸承未見異常，初步排除了軸承質量問題。另外，從多套與故障軸承同批生產的軸承現(xiàn)場使用情況良好這一事實，也證明了軸承質量沒有問題。

3.2 開口保持架試驗

為模擬保持架初始裂紋對軸承的危害，將保持架一兜孔單邊側梁割斷，試驗約1 h后，軸承溫度急升至315 ℃，設備過載保護停車。分解發(fā)現(xiàn)，開口兜孔對側保持架斷裂，斷口兩側變?yōu)楹谏?，個別保持架兜孔磨損稍重，保持架外徑局部區(qū)域磨損；個別鋼球有高溫工作現(xiàn)象和極頂磨損，溝道表面、鋼球外觀基本正常；外圈引導面有磨損，但未能再現(xiàn)故障保持架碎裂形貌。

3.3 淬火保持架試驗

為模擬淬硬的保持架對軸承的危害，對保持架進行淬火試驗，硬度約55.3 HRC，保持架外徑尺寸發(fā)生變化，與外圈引導面之間有輕微卡滯。試驗進行13 h后，軸承溫度達到320 ℃，轉速自然下降，經不斷調整，繼續(xù)進行試驗約2 h后，試驗臺出現(xiàn)空轉。

分解發(fā)現(xiàn)：保持架碎裂，共找到38個保持架碎塊，僅有1個橫梁未斷裂，呈“工”字形，其余碎塊呈T形；外表面有未完全斷裂的穿透性裂紋，說明保持架側梁先于橫梁斷裂，軸承外圈溝道呈熔融態(tài)，引導面基本磨光；前半內圈斷裂成許多碎塊，后半內圈溝道呈熔融態(tài)，已無法分解；鋼球嚴重磨損，磨損后鋼球最大直徑約20 mm(正常鋼球直徑22.225 mm)。保持架宏觀形貌如圖9所示。

圖9 淬火保持架(試件)損壞宏觀形貌

淬火保持架試件損壞外觀形貌中，側梁斷口疲勞源及軸承內、外圈和鋼球損傷形貌均與實際軸承損壞情況極為相似。

4 失效機理分析

從保持架碎塊的理化檢查結果可知，保持架與鋼球接觸的工作區(qū)域最高硬度為554 HV(52.5 HRC)。由于保持架的外引導面磨損更加嚴重，溫度也比兜孔內的接觸區(qū)要高，其最高硬度為781 HV(63.3 HRC)。保持架外引導面與兜孔接觸區(qū)由于摩擦導致過熱，已經超過了材料的相變溫度。由于此時失效軸承的潤滑冷卻效果仍然良好，保持架產生了淬火現(xiàn)象，保持架材料的硬度增加，而塑性、韌度卻下降到正常值的約1/4。

軸承工作過程中所有的鋼球都會對保持架兜孔產生碰撞，這種力通常不會對保持架產生影響，但在保持架韌度大幅降低的情況下，鋼球對保持架的碰撞力就會在保持架最薄弱的位置——兜孔側梁和橫梁處造成破壞。從保持架強度計算分析結果可以看到，兜孔橫梁的強度要強于側梁的強度，這也是側梁全部斷裂而橫梁部分斷裂的原因。

本例軸承故障與以往故障不同的幾個主要原因是，異物嵌入到保持架與套圈之間的間隙處或保持架兜孔與鋼球之間(后者的可能性最大)，導致保持架偏擺，產生異常磨損，使溫度急劇升高。保持架碎裂后，其碎塊嚴重阻礙鋼球的運轉，導致鋼球與保持架以及內、外圈之間產生滑動，套圈和鋼球的溫度急劇升高，熱膨脹使部分鋼球產生卡死現(xiàn)象，在內、外圈之間被拖蹭擠壓，發(fā)生材料熔融和轉移現(xiàn)象；在鋼球和內、外圈的接觸區(qū)域形成了過熱區(qū)，導致內、外溝道表面出現(xiàn)擠壓變形和高溫粘結，鋼球發(fā)生嚴重變形。軸承失效后軸向、徑向游隙增大造成轉子偏轉，導致密封件產生嚴重的碰磨損傷。

5 預防措施

結合以上分析，為避免出現(xiàn)類似失效故障，提高三點接觸球軸承的可靠性，建議采取如下預防措施：

(1)確保裝配質量。嚴格執(zhí)行裝配工藝，保證裝配質量符合要求，避免出現(xiàn)蓋板、密封墊及螺釘?shù)人蓜用撀涞葐栴}。

(2)針對三點接觸球軸承存在外圈剝落、保持架碎裂等現(xiàn)象，需明確軸承成品的碳化物形態(tài)和尺寸控制要求；優(yōu)化軸承零件表面精密磨削工藝；積極開展國產超純材料的應用研究。