徐健

（海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽(yáng)110043）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造涉及氣動(dòng)、熱工、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、控制、測(cè)試、計(jì)算機(jī)、制造技術(shù)和材料等多種學(xué)科，有10多個(gè)部件和系統(tǒng)及數(shù)以萬(wàn)計(jì)的零件，其溫度、壓力、應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、間隙和腐蝕等工作條件復(fù)雜、苛刻，而且對(duì)性能、重量、適用性、可靠性、耐久性和環(huán)境特性等又有極高的要求。因此，有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障分析工作十分復(fù)雜，技術(shù)難度極大。

航空軸承滾道剝落故障是航空軸承常見(jiàn)故障之一，性質(zhì)一般多為滾動(dòng)接觸疲勞。一般可通過(guò)滑油系統(tǒng)金屬元素定期檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)航空軸承早期故障，航空發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)警系統(tǒng)中金屬屑末報(bào)警對(duì)于發(fā)現(xiàn)航空軸承滾道剝落故障效果較好。1 故障軸承形貌

航空軸承滾道剝落故障有的發(fā)生在外套（見(jiàn)圖1），有的發(fā)生在內(nèi)套（見(jiàn)圖2），從裂紋的起源位置，一般可分為兩種基本類型，即起源于表面或起源于亞表面。由于接觸應(yīng)力作用而導(dǎo)致的接觸疲勞，其損傷形式均為不同深度的淺層剝落，因此嚴(yán)格來(lái)講，起源于表面或亞表面只不過(guò)是相對(duì)而言，實(shí)質(zhì)上均可稱為表層接觸疲勞。

圖1 外套剝落故障件

圖2 內(nèi)套剝落故障件

2 故障軸承檢測(cè)與分析方法

2.1 故障軸承檢測(cè)分析

軸承的尺寸超差，套圈滾道表面存在燒傷和裂紋等缺陷，均可能導(dǎo)致軸承發(fā)生早期疲勞剝落故障。因此，需要對(duì)故障軸承有關(guān)尺寸精度進(jìn)行測(cè)量。

2.1.1 尺寸精度檢測(cè)

通過(guò)檢查內(nèi)外套圈、保持架和滾動(dòng)體的相關(guān)參數(shù)，來(lái)分析軸承尺寸精度與航空軸承滾道剝落故障的相關(guān)性。

常見(jiàn)檢測(cè)項(xiàng)目有軸承套圈的內(nèi)外徑、圓度、寬度和錐度，保持架的內(nèi)外徑、兜孔尺寸，滾動(dòng)體的標(biāo)準(zhǔn)值、圓度、尺寸相互差。

2.1.2 表面缺陷檢測(cè)

軸承套圈滾道表面缺陷檢測(cè)一般采用無(wú)損檢測(cè)方法。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有：

圖3 滾道檢測(cè)結(jié)果

1）滾道磁彈儀檢測(cè)。采用磁彈儀對(duì)故障軸承外圈滾道圓周方向3個(gè)位置及2個(gè)半內(nèi)圈滾道進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)磁彈值穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象（如圖3所示），則可判定軸承套圈滾道表面不存在燒傷和裂紋缺陷。

2）滾道應(yīng)力測(cè)試。對(duì)故障軸承內(nèi)、外套圈滾道和滾動(dòng)體非剝落表面進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，如果所有表面均為壓應(yīng)力狀態(tài)，同一套圈的應(yīng)力分布較均勻，則認(rèn)為軸承套圈滾道表面不存在燒傷和裂紋缺陷。

3）磁粉探傷檢測(cè)。采用磁粉探傷機(jī)對(duì)3件內(nèi)外套圈采用連續(xù)法檢測(cè)，如果在剝落區(qū)外未顯示裂紋缺陷，則認(rèn)為軸承套圈滾道表面不存在燒傷和裂紋缺陷。

2.2 冶金分析

冶金分析一般包含硬度檢測(cè)分析、金相組織檢查分析、掃描電鏡微觀檢查和化學(xué)成分分析等。

2.2.1 硬度檢測(cè)分析

硬度反映材料阻止壓入的能力，同時(shí)，硬度也反映了材料阻止磨損的能力。可用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方法測(cè)量硬度。

2.2.2 金相組織檢查

金相組織檢查反映材料的組織與碳化物均勻性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，反映原材料性能是否滿足要求。一般應(yīng)選取套圈滾道指定部位和滾動(dòng)體工作表面進(jìn)行檢查。

2.2.3 掃描電鏡微觀檢查

利用掃描電鏡對(duì)距疲勞源區(qū)不同距離的部位拍攝照片，從而可以檢查剝落部位是否具有疲勞特征，是否有夾雜等原材料缺陷，是否存在碳化物聚集及碳化物脫落現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)夾雜、碳化物聚集，則可以斷定為原材料問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)疲勞特征，還需進(jìn)一步分析疲勞產(chǎn)生的原因。

1）外套剝落區(qū)：一般可見(jiàn)明顯疲勞特征，剝落區(qū)開始部位可見(jiàn)尺寸較小的白色塊狀物聚集，通常為材料一次碳化物，其它部位滾道表面也有碳化物聚集現(xiàn)象，有沿碳化物邊緣開裂及碳化物碎裂現(xiàn)象，滾道剝落性質(zhì)為滾動(dòng)接觸疲勞。另外，還可能發(fā)現(xiàn)疲勞剝落處次表面存在尺寸較大的白色物質(zhì)，關(guān)于尺寸較大的白色物質(zhì)國(guó)內(nèi)外都有資料對(duì)此進(jìn)行描述，對(duì)其進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)成分與基體相同，并非真實(shí)的一次碳化物，在對(duì)其邊緣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試時(shí)出現(xiàn)裂紋缺陷，該裂紋疑似在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的鍛造缺陷。

2）內(nèi)套滾道表面：局部區(qū)域通常也出現(xiàn)碳化物聚集及個(gè)別碳化物脫落現(xiàn)象。

3）鋼球剝落區(qū)：一般可見(jiàn)接觸疲勞特征。

2.2.4 化學(xué)成分檢查

化學(xué)成分檢查的目的是分析材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)，排除混料可能。

2.2.5 冶金分析

1）外套及鋼球表面剝落起始區(qū)有無(wú)冶金缺陷，剝落起始區(qū)是否存在碳化物偏聚現(xiàn)象；

2）察看疲勞剝落處次表面是否存在一次碳化物，再對(duì)其邊緣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試；

3）內(nèi)套、外套及鋼球的化學(xué)成分、金相組織和硬度均是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 鍛件檢測(cè)分析

鍛件檢測(cè)分析技術(shù)一般用于檢測(cè)軸承套圈內(nèi)部缺陷，通常采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。目前，國(guó)際上廣泛采用水浸超聲檢測(cè)方法，重點(diǎn)檢查軸承套圈滾道是否存在微觀缺陷。如果軸承套圈滾道存在微觀鍛造缺陷，最大的可能性是鍛造沖孔和輾擴(kuò)工藝安排不合理，過(guò)程控制可能出現(xiàn)偏差造成的。

3 故障機(jī)理分析

原材料在冶煉及軸承零件的鍛造、沖壓、熱處理、冷加工等過(guò)程中，殘留在表面的非金屬夾雜物、粗大碳化物、微孔、皺紋、壓坑、表面變質(zhì)層等，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于受接觸應(yīng)力的作用，引起它們脫落母體或由于塑性變形而引起微孔的聚集擴(kuò)大后形成的剝落。

航空軸承滾道剝落是發(fā)生在滾道表面的典型的滾動(dòng)接觸疲勞失效。滾動(dòng)接觸疲勞所引起的失效，是指軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)期間由于交變應(yīng)力導(dǎo)致在接觸面上或接觸面的亞表面處形成疲勞裂紋而造成失效。航空軸承滾道剝落故障形成機(jī)理通常是：鍛造微觀缺陷→交變應(yīng)力→冷作硬化和塑性變形（白色物質(zhì)）→裂紋萌生→裂紋擴(kuò)展→疲勞剝落。另外，因?yàn)閯兟鋵右呀?jīng)無(wú)法復(fù)原，不排除碳化物偏聚或粗大碳化物引起剝落的可能性。

關(guān)于疲勞剝落處次表面存在尺寸較大的白色物質(zhì)，國(guó)內(nèi)外都有資料對(duì)此進(jìn)行描述，認(rèn)為在一定交變載荷下最大應(yīng)力區(qū)中的最薄弱處（如空隙，非金屬夾雜物、碳化物等），會(huì)出現(xiàn)白色“蝴蝶狀微裂紋”，其中內(nèi)部空隙更容易形成此類現(xiàn)象，其次是破損或裂紋、夾雜。其產(chǎn)生的機(jī)理通常認(rèn)為是由于缺陷兩側(cè)相互擠壓擴(kuò)展，繼而形成冷作硬化和塑性變形，并產(chǎn)生相變引起的。

4 結(jié)論

由于各種不同原因可能使軸承的接觸面或近接觸面處產(chǎn)生疲勞裂紋。比如軸承原材料不合格、軸承表面質(zhì)量差、潤(rùn)滑不良、鍛造缺陷等。通過(guò)以上分析認(rèn)為，航空軸承剝落故障的原因可能是：一方面，鍛造工藝存在不合理問(wèn)題，過(guò)程控制可能出現(xiàn)偏差，在外圈滾道表面下產(chǎn)生微觀鍛造缺陷，進(jìn)而在工作中產(chǎn)生剝落；另一方面，不排除碳化物偏聚或粗大碳化物引起剝落的可能性。

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