郭占兵，楊 志

（中國(guó)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工程技術(shù)部，湖南 株洲 412002）

某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效分析

郭占兵，楊 志

（中國(guó)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司工程技術(shù)部，湖南 株洲 412002）

本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承及相關(guān)故障件進(jìn)行了宏觀、微觀的分析，通過(guò)分析認(rèn)為該發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效是由于潤(rùn)滑失效導(dǎo)致，鼓風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣段等相關(guān)故障件是由于軸承潤(rùn)滑失效后導(dǎo)致軸承嚴(yán)重磨損失效卡滯所致。

軸承；潤(rùn)滑失效；鼓風(fēng)機(jī)；磨損

1 概述

某發(fā)動(dòng)機(jī)在使用后檢查，發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)段組件（安裝座）后錐體殼體裂開(kāi)，拆下鼓風(fēng)機(jī)后，發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)軸斷裂，鼓風(fēng)機(jī)軸承失效。至故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作34小時(shí)18分。該發(fā)動(dòng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)組件通過(guò)附件傳動(dòng)機(jī)匣花鍵帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承座安裝在鼓風(fēng)機(jī)出口段上支撐鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子。軸承內(nèi)、外套圈材料牌號(hào)為ZGCr15，滾子的材料牌號(hào)為Si3N4，保持架材料為酚醛膠布管，軸承采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀

軸承磨損嚴(yán)重，軸承外套圈已被完全從跑道面磨斷成兩個(gè)部分，一部分掉落，掉落的外套圈已嚴(yán)重變形，表面粗糙不平，粘著現(xiàn)象嚴(yán)重，已觀察不到外套圈原有的形貌，另一部分粘結(jié)在軸承座上，已經(jīng)很難分辨，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 軸承外套圈外觀（掉落部分）

圖2 軸承座內(nèi)軸承外套圈

軸承內(nèi)套圈固定在鼓風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸上，約1/3跑道面基本保持原有內(nèi)套圈形貌，其跑道面可見(jiàn)粘著現(xiàn)象，并且靠近螺母一端較靠近葉輪一端嚴(yán)重，跑道面靠近螺母一端擋邊位置還可見(jiàn)較明顯的金屬擠出現(xiàn)象；內(nèi)套圈其余2/3磨損嚴(yán)重，并且粘結(jié)大量金屬以及出現(xiàn)嚴(yán)重的金屬碾壓、擠出現(xiàn)象；嚴(yán)重磨損部位殘存有7粒滾子擠壓后形成的輪廓痕跡，即7粒滾子在保持架失效散開(kāi)或分解之后堆擠在內(nèi)套圈這個(gè)磨損的位置，與內(nèi)套圈基本無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖3，圖4。滾子軸承共有7粒滾子，經(jīng)外觀及電鏡觀察，滾子完整，無(wú)磨損現(xiàn)象，表面粘附著大量的軸承內(nèi)外套圈及相關(guān)的故障件材料。

圖3 軸承內(nèi)套圈

圖4 軸承滾子復(fù)原圖

圖5 外套圈表面粘結(jié)物形貌

2.2 高倍檢查

軸承外套圈幾乎所有表面均粘附有一層鋁合金，心部組織為珠光體，局部碳化物溶解，見(jiàn)圖5，說(shuō)明溫度超過(guò)其材料的AC3（838℃），但小于熔化溫度（1395～1403℃），且冷卻較慢，即軸承損壞后已缺潤(rùn)滑條件，同時(shí)由于高溫使得鋁合金碎塊熔化。

2.3 成分分析

經(jīng)化學(xué)定量分析，軸承內(nèi)外套圈成分符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

2.4 硬度檢查

外套圈：端面HRC59.8，跑道面HRC61.6；內(nèi)套圈：端面HRC58.8；滾子：HV0.11400-1600

2.5 保持架分解溫度檢查

經(jīng)差熱分析儀測(cè)定：質(zhì)量明顯損失起始點(diǎn)：341.27℃，終止點(diǎn)：387.35℃。

2.6 GCr15材料高溫拉伸性能

不考慮較長(zhǎng)時(shí)間回火性能下降的影響，直接進(jìn)行高拉試驗(yàn)，達(dá)到保持架明顯分解溫度時(shí)（350℃左右）其強(qiáng)度水平只相當(dāng)于室溫的62%左右（相當(dāng)于HRC46），已明顯軟化。

σb MPa σ0.2 MPa δ% Ψ%相當(dāng)于HRC室溫（文獻(xiàn)資料）2155~2550 1665~1815——/300℃（試驗(yàn)數(shù)據(jù)）1810 1600 12.0 36.0 51.5 350℃（試驗(yàn)數(shù)據(jù)）1460 1200 14.4 45.2 46.0 850℃（文獻(xiàn)資料）63—73.0 79.4 /

3 分析與討論

3.1 材質(zhì)分析

從對(duì)故障件的軸承進(jìn)行材質(zhì)分析，軸承內(nèi)外套圈及滾子材質(zhì)正常。

3.2 軸承失效模式與過(guò)程

根據(jù)對(duì)軸承的分析，軸承外套圈均勻磨削成2段，內(nèi)套圈約2/3磨損嚴(yán)重，通過(guò)復(fù)原，7粒滾子最后卡滯階段已堆積在內(nèi)套圈2/3磨損嚴(yán)重部位，證明軸承最后出現(xiàn)了嚴(yán)重的超溫卡滯現(xiàn)象，且保持架已分解失效；保持架完全分解消失后由于受力等因素7粒滾子將堆積在一起，同時(shí)出現(xiàn)卡滯，說(shuō)明1/3圓周軸承內(nèi)套圈的磨損在保持架未完全分解消失前就已經(jīng)產(chǎn)生，內(nèi)套圈1/3圓周跑道面可見(jiàn)粘著現(xiàn)象，并且靠近螺母一端較靠近葉輪一端嚴(yán)重，在靠近螺母一端的擋邊可見(jiàn)較明顯的金屬擠出現(xiàn)象，說(shuō)明軸承在出現(xiàn)嚴(yán)重超溫卡滯、保持架分解消失前即已出現(xiàn)了一定程度的超溫軟化現(xiàn)象，且存在軸向力；軸承保持架為酚醛膠布管，根據(jù)同批次軸承保持架分解溫度試驗(yàn)情況表明，保持架失效是一個(gè)隨著溫度的上升而逐漸分解失效的過(guò)程，其明顯的質(zhì)量損失溫度即分解失效溫度為341℃，而通過(guò)另外的驗(yàn)證性試驗(yàn)表明，GCr15在350℃時(shí)其強(qiáng)度為1460MPa，只相當(dāng)于室溫的62%左右（相當(dāng)于HRC46），已明顯軟化。

以上情況說(shuō)明軸承在保持架分解消失前的磨損階段存在一個(gè)逐漸溫升的過(guò)程，溫升會(huì)導(dǎo)致軸承出現(xiàn)粘著、軟化、保持架分解等現(xiàn)象，從1/3內(nèi)套圈磨損情況，可以排除磨粒磨損或接觸疲勞導(dǎo)致最終導(dǎo)致粘著卡滯而引起的溫升現(xiàn)象，分析認(rèn)為溫升主要是軸承潤(rùn)滑失效造成的。

3.3 肇事件的判斷

從以上軸承失效的分析可知，軸承磨損過(guò)程中出現(xiàn)溫升，溫升最終導(dǎo)致軸承最終出現(xiàn)超溫卡滯，其損傷是一個(gè)時(shí)間累積的過(guò)程。

根據(jù)對(duì)相關(guān)損傷件的外觀及斷口的觀察，及鼓風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸與鼓風(fēng)機(jī)葉輪、軸承等的配合關(guān)系、鼓風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸（主動(dòng)）與軸承（被動(dòng)）的主被動(dòng)關(guān)系、軸承及相關(guān)件的受力情況以及表面損傷情況等，確認(rèn)軸承嚴(yán)重磨損失效在先，其余相關(guān)件均為軸承嚴(yán)重磨損失效卡滯后出現(xiàn)的二次損傷。

4 結(jié)論

4.1某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承外套圈及內(nèi)套圈材質(zhì)正常；

4.2某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效是由于潤(rùn)滑失效導(dǎo)致的；

4.3某發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效過(guò)程是軸承失效使之在工作中磨損并出現(xiàn)溫升→溫升逐步導(dǎo)致軸承粘著、軟化擠出→當(dāng)溫度升到一定程度保持架逐漸分解失效→7粒滾子堆積卡滯→2/3軸承內(nèi)套圈嚴(yán)重磨損，外套圈嚴(yán)重磨損。

郭占兵（1982— ），男，漢族，河南漯河人，碩士研究生，主要從事物理冶金及失效分析工作。