梁霄，可成河，趙四洋，趙寧寧

（1.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110862；2.駐沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司軍事代表室，沈陽(yáng) 110043）

軸承對(duì)主機(jī)的工作性能、壽命、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及可靠性均有很大影響，在某些情況下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果［1］。因此，準(zhǔn)確判斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承失效原因，并采取針對(duì)性的預(yù)防控制措施意義重大。軸承失效分析是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，影響因素很多，工況條件及軸承內(nèi)在質(zhì)量都必須考慮，要具有詳盡的原始資料，如軸承服役前后的經(jīng)歷、現(xiàn)場(chǎng)記錄及收集的失效零件，并運(yùn)用正確的分析方法、程序和步驟，才能確定軸承失效形式，找到失效的原因，得出正確的結(jié)論［2］。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中振動(dòng)偏大但振動(dòng)值沒(méi)有超標(biāo)，在故障檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)高壓前支承軸承（多為三點(diǎn)角接觸球軸承）內(nèi)溝道表面出現(xiàn)了裂紋及剝落掉塊。對(duì)于這類(lèi)故障，除需更換新軸承外，還須進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)附加試車(chē)，不僅造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響主機(jī)的正常運(yùn)行。因此，通過(guò)對(duì)故障套圈進(jìn)行斷口形貌觀察及金相圖譜對(duì)比，探究故障機(jī)理、分析故障原因，以便采取針對(duì)性的措施，從根本上杜絕此類(lèi)故障的發(fā)生。

1 故障現(xiàn)象

高壓前支承軸承（以下簡(jiǎn)稱(chēng)前軸承）內(nèi)溝道表面出現(xiàn)裂紋及剝落掉塊的故障件宏觀形貌如圖1所示，圖中箭頭所指處為剝落掉塊位置。

圖1 故障軸承內(nèi)圈宏觀形貌

內(nèi)溝道表面裂紋形貌如圖2所示，目視放大鏡觀察，可見(jiàn)沿周向約15 mm長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了半網(wǎng)狀裂紋，共15條左右，長(zhǎng)度為3～7 mm。

圖2 故障部位放大圖

內(nèi)溝道裂紋區(qū)域可見(jiàn)3處明顯的剝落掉塊現(xiàn)象（圖3），掉塊坑底呈現(xiàn)新鮮的金屬光澤；對(duì)內(nèi)溝道表面進(jìn)一步放大觀察，未見(jiàn)球和溝道有擦傷痕跡，且表面未見(jiàn)氧化。

圖3 剝落掉塊形貌

2 故障檢測(cè)及軸承受力分析

軸承選型得當(dāng)且維護(hù)和潤(rùn)滑良好，其使用壽命一般均能超過(guò)計(jì)算壽命，但在使用過(guò)程中，由于受各種因素的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意料以外的早期損壞［3］。軸承出現(xiàn)早期損壞勢(shì)必存在一定程度的異常情況。

2.1 統(tǒng)計(jì)分析

取批生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)廠內(nèi)試車(chē)后故障檢查樣本數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：前軸承因內(nèi)溝道表面有裂紋及剝落掉塊報(bào)廢的故障率僅為0.5%，且外場(chǎng)正在使用的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)滑油光譜分析、磨粒分析也未見(jiàn)異常。由此可見(jiàn)該故障應(yīng)為小概率偶發(fā)事件，必然存在異常之處。

2.2 理化檢查

2.2.1 微觀檢查

用掃描電鏡對(duì)3個(gè)掉塊坑的內(nèi)側(cè)面進(jìn)行放大觀察，未見(jiàn)疲勞特征，均呈如圖4所示的脆性斷口形貌；利用背散射圖像觀察掉塊部位及微裂紋處，未見(jiàn)與材料有關(guān)的冶金缺陷。

圖4 掃描電鏡圖

2.2.2 硬度檢查

硬度反映材料阻止壓入的能力，因此，硬度也反映了材料阻止磨損的能力?？捎渺o態(tài)或動(dòng)態(tài)的方法測(cè)量硬度［4］。文中采用靜態(tài)方法測(cè)量洛氏硬度，每個(gè)部位測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)如下：

（1）內(nèi)溝道微裂紋附近硬度分別為63.0，62.8和63.3 HRC；

（2）內(nèi)溝道其他部位硬度分別為63.3，63.0和63.0 HRC。

測(cè)量結(jié)果表明：內(nèi)溝道硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可排除異物壓入和異常磨損導(dǎo)致失效的可能性。

2.2.3 金相檢查

沿溝道面法線方向切開(kāi)半環(huán)，磨制金相試樣進(jìn)行觀察，金相組織為回火馬氏體+均勻分布的碳化物。溝道表面法線截面處裂紋深度最大處約1.1 mm，截面試樣上裂紋形貌如圖5所示。

圖5 截面試樣上的裂紋形貌

2.2.4 檢查結(jié)果

（1）前軸承內(nèi)溝道表面裂紋為應(yīng)力裂紋，呈半網(wǎng)狀分布。

（2）掉塊坑內(nèi)未見(jiàn)疲勞特征，均呈脆性斷口形貌，未見(jiàn)與材質(zhì)有關(guān)的冶金缺陷。

（3）半環(huán)法線截面裂紋最大深度約為1.1 mm。金相組織為回火馬氏體+碳化物。

（4）能譜分析材料符合Cr4Mo4V鋼標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 受力分析

理化分析表明，前軸承內(nèi)溝道表面裂紋為應(yīng)力裂紋，呈半網(wǎng)狀分布，因此有必要對(duì)該軸承的受力情況進(jìn)行分析。

滾動(dòng)軸承是通過(guò)外殼（軸承座）和軸承受并傳遞載荷［5］。軸承受力狀態(tài)比較復(fù)雜，尤其是三、四點(diǎn)角接觸球軸承的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。前軸承載荷的傳遞路線是：軸向和徑向載荷通過(guò)內(nèi)圈、鋼球、外圈再傳遞到軸承座。

在載荷作用下，接觸區(qū)域變形，載荷作用在微小的接觸面積上，使接觸部位鄰近區(qū)域產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，通常滾動(dòng)軸承內(nèi)的接觸應(yīng)力在2 000～4 000 MPa。軸承的靜承載能力除材料本身的性能外，還受接觸面間的壓應(yīng)力分布，特別是剪切應(yīng)力分布的影響。分析表明，最大靜態(tài)切應(yīng)力發(fā)生在接觸表面下一定深度處，作用在與坐標(biāo)軸y和z成45°的平面上。軸承在承載下運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面下平行于滾動(dòng)方向的切應(yīng)力將按交變應(yīng)力規(guī)律變化，在某一深度其幅值達(dá)到最大值，稱(chēng)為最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力。最大動(dòng)態(tài)切應(yīng)力對(duì)接觸疲勞裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展起主要作用，而最大靜態(tài)切應(yīng)力對(duì)接觸表面下的塑性變形起主要作用。

當(dāng)軸承零件所承受的應(yīng)力超過(guò)材料極限時(shí)，其內(nèi)部或表面便發(fā)生斷裂或局部斷裂現(xiàn)象。由于某種原因，如熱處理不當(dāng)、局部磨削過(guò)熱等非正常操作均可能導(dǎo)致套圈內(nèi)部產(chǎn)生異常應(yīng)力，軸承工作過(guò)程中，溝道承受相當(dāng)高的交變接觸應(yīng)力，極易產(chǎn)生裂紋、剝落等損傷，最終導(dǎo)致軸承早期失效。

3 綜合分析

通過(guò)上述故障統(tǒng)計(jì)、掉塊觀察、金相檢查及軸承受力分析，可以看出局部半網(wǎng)狀裂紋的產(chǎn)生與零件加工有關(guān)（出現(xiàn)了二次淬火層），排除了滾動(dòng)接觸疲勞、安裝偏斜以及供油不暢過(guò)熱導(dǎo)致硬度降低等情況。

3.1 磨削裂紋

通常磨削裂紋產(chǎn)生的原因有：（1）在磨削金屬表面時(shí)產(chǎn)生大量的磨削熱，這種熱量可使磨削表面溫度快速達(dá)820～840℃，如果磨削時(shí)冷卻不充分，磨削熱足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火成為馬氏體，使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力，最終可能導(dǎo)致磨削表面產(chǎn)生磨削裂紋；（2）零件淬火、回火后組織中還可能存在殘余奧氏體、網(wǎng)狀碳化物或內(nèi)應(yīng)力，磨削熱可進(jìn)一步引起組織轉(zhuǎn)變或應(yīng)力再分配，最后導(dǎo)致產(chǎn)生磨削裂紋。例如，當(dāng)磨削的零件還存在一定數(shù)量的殘余奧氏體，在磨削熱影響區(qū)內(nèi)的殘余奧氏體發(fā)生分解，并轉(zhuǎn)變成馬氏體，引起零件局部體積膨脹而形成組織應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，即可形成磨削裂紋［6］。

綜上所述認(rèn)為，前軸承內(nèi)溝道在磨削加工過(guò)程中，由于操作不當(dāng)，如瞬時(shí)進(jìn)給量過(guò)大或?qū)Φ稌r(shí)暫時(shí)關(guān)閉冷卻液，致使短時(shí)冷卻不良，產(chǎn)生局部二次淬火層，導(dǎo)致套圈內(nèi)部產(chǎn)生異常應(yīng)力；使用時(shí)疊加了軸承工作過(guò)程中施加的工作應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展進(jìn)而在裂紋閉合處產(chǎn)生剝落掉塊。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)論的正確性，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)再現(xiàn)，即在試樣套圈磨削加工時(shí)，短時(shí)間停止供給冷卻液。加工后將試樣拆下進(jìn)行酸洗檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)溝道表面出現(xiàn)了裂紋。表明磨削過(guò)程中即使短時(shí)的冷卻不充分，工件表面也會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋。試驗(yàn)結(jié)果再次印證了前軸承內(nèi)溝道表面裂紋確為磨削應(yīng)力裂紋。

4 防控措施

根據(jù)故障產(chǎn)生的原因，可以采取以下防控措施：

（1）進(jìn)一步加強(qiáng)工藝過(guò)程的質(zhì)量控制，除按工藝粗磨后100%酸洗檢查燒傷、細(xì)磨每批和每班次的首件進(jìn)行酸洗檢查燒傷外，每加工10件抽檢1件做磁性無(wú)損燒傷檢測(cè)。

（2）優(yōu)化零件磁粉探傷檢查工藝。

（3）裝機(jī)使用前核查軸承廠家試車(chē)的相關(guān)資料，保證裝機(jī)軸承的質(zhì)量。

（4）對(duì)不具有批次性偶然發(fā)生的故障采取針對(duì)性處理措施，與故障軸承同批次軸承可裝機(jī)使用，已隨發(fā)動(dòng)機(jī)交付出廠的軸承亦可繼續(xù)使用。

通過(guò)采取相應(yīng)控制措施之后，未再發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題。

5 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)前軸承內(nèi)溝道表面裂紋是由于溝道表面磨削加工過(guò)程中操作不當(dāng)產(chǎn)生局部二次淬火層所致。

（2）此故障為早期故障，且具有小概率偶發(fā)特性，可以在廠內(nèi)通過(guò)試車(chē)暴露出來(lái)，可防可控。