羅志剛，于慶杰，公平，姜鐵寅，刁慶

（中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承故障會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行任務(wù)，其失效形式不同、影響因素復(fù)雜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的失效進(jìn)行分析并提出預(yù)防改進(jìn)措施具有重要意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行故障分解檢查后發(fā)現(xiàn)，附件機(jī)匣內(nèi)部支承軸承D209NQ發(fā)生故障，保持架鉚釘全部斷裂脫落，外圈溝道剝落，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2010年至今，該類軸承鉚釘斷裂及溝道剝落故障共發(fā)生3起，故障率較低。文中主要分析軸承損傷機(jī)理，并根據(jù)故障分析提出預(yù)防改進(jìn)措施。

1 故障現(xiàn)象

機(jī)匣軸承分解后發(fā)現(xiàn)外圈溝道有一條長(zhǎng)約50 mm、寬約7.5 mm、深約0.01 mm的剝落區(qū)（圖1），其位置基本居于溝底。鉚合上下兩半保持架的10根鉚釘中9根從原鉚釘頭處斷開(kāi)，1根在中部斷裂（圖2）。

圖1 外圈溝道剝落形貌Fig.1 Flakingmorphology of outer ring raceway

圖2 鉚釘斷裂形貌Fig.2 Fracturemorphology of rivets

2 故障分析

2.1 形貌分析

利用掃描電鏡對(duì)保持架鉚釘斷口進(jìn)行觀察，鉚釘頭部斷裂均屬于疲勞斷裂，疲勞斷裂源起始于鉚釘圓頭根部，斷裂起始部位有微振形成的擠壓摩擦痕跡，典型鉚釘斷口形貌如圖3所示。

圖3 鉚釘斷口形貌Fig.3 Fracturemorphology of rivet

利用掃描電鏡對(duì)外圈剝落區(qū)進(jìn)行觀察如圖4所示，未發(fā)現(xiàn)明顯的材質(zhì)缺陷，剝落區(qū)不連續(xù)，且深度較淺，具有鱗片狀剝落的特征，為表面起源型剝落。

圖4 外圈溝道剝落區(qū)微觀形貌Fig.4 Micromorphology of outer ring raceway flaking area

2.2 鉚釘強(qiáng)度分析

保持架材料為QAL10－3－1.5，鉚釘材料為ML15。由于保持架材料熱膨脹系數(shù)略大，在130℃受熱后保持架軸向伸長(zhǎng)量大于鉚釘伸長(zhǎng)量，相互作用產(chǎn)生應(yīng)力為239.16 MPa，鉚釘應(yīng)力分布如圖5所示，而鉚釘材料抗拉強(qiáng)度為390 MPa，故鉚釘強(qiáng)度可滿足使用要求。

圖5 鉚釘應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of rivet

初步認(rèn)為軸承故障為在使用中外圈溝道發(fā)生表面損傷，引起疲勞剝落，破壞溝道完整性，鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常，對(duì)保持架產(chǎn)生振動(dòng)和異常沖擊，導(dǎo)致保持架鉚釘在頭部薄弱位置發(fā)生斷裂，斷裂后鉚釘及釘頭掉落，保持架分離。

3 故障模擬試驗(yàn)

采用D209NQ軸承，在外圈溝道預(yù)制密集點(diǎn)狀壓坑缺陷，尺寸約0.040 mm（圖6），以模擬外圈溝道先出現(xiàn)損傷的故障模式，試驗(yàn)器運(yùn)轉(zhuǎn)工況按照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況進(jìn)行。

圖6 外圈溝道預(yù)制壓坑缺陷Fig.6 Prefabricated pit defect of outer ring raceway

試驗(yàn)130 min后，試驗(yàn)器運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常，試驗(yàn)軸承溫度升高，發(fā)生嚴(yán)重抱軸，停止試驗(yàn)。分解檢查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)器腔體內(nèi)有金屬屑，對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行宏觀損傷形貌的觀察，主要檢查結(jié)果如下：

1）外圈溝道從預(yù)制缺陷區(qū)疲勞剝落，其他部位溝道磨損，剝落區(qū)表面呈鱗片狀特征（圖7a），剝落坑底表面為摩擦磨損形貌（圖7b）；

圖7 外圈溝道剝落形貌Fig.7 Flakingmorphology of outer ring raceway

2）保持架10根鉚釘中有3根的釘頭斷裂，鉚釘桿仍留在保持架內(nèi)，斷裂部位均位于圓釘頭與桿部轉(zhuǎn)接處，疲勞裂紋起源于釘頭轉(zhuǎn)角兩側(cè)，裂紋源未見(jiàn)缺陷。

4 同臺(tái)機(jī)匣其他軸承的檢查情況

對(duì)與該套故障軸承同臺(tái)機(jī)匣的其他軸承進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)大部分軸承套圈溝道靠近溝底位置存在多條異常磨損帶，磨損帶表面材料損失，周圍伴有較多壓坑形貌（圖8）；其中1套軸承的溝底位置發(fā)現(xiàn)2處形狀一致，近似鴨形剪影的壓坑（圖9）。

圖8 溝道表面磨損帶Fig.8 Wear band on raceway surface

5 故障原因及預(yù)防措施

5.1 故障原因

根據(jù)故障分析與模擬試驗(yàn)，可以確定該軸承故障是由于軸承溝道表面損傷導(dǎo)致的，原因?yàn)楫愇镞M(jìn)入或加工及拆卸過(guò)程損傷。

通常情況下，表面起源型疲勞剝落與表面存在磨損、壓坑或劃傷等現(xiàn)象有關(guān)。結(jié)合掃描電鏡對(duì)故障軸承外圈剝落區(qū)域的觀察情況，說(shuō)明軸承套圈表面應(yīng)存在磨損、顯微剝落、壓坑以及劃傷等現(xiàn)象，使軸承在工作過(guò)程中發(fā)生表面起源型剝落。檢查故障軸承同臺(tái)機(jī)匣其他軸承發(fā)現(xiàn)，在套圈溝道工作表面上存在不同程度的壓坑、麻點(diǎn)、淺層顯微剝落及鋼球圓周劃傷現(xiàn)象、溝道表面有鴨形壓痕（圖9）。根據(jù)以上幾點(diǎn)可推斷該軸承表面損傷應(yīng)與潤(rùn)滑油中存在顆粒污染物、生產(chǎn)加工或安裝不當(dāng)造成的表面壓傷有關(guān)。

圖9 溝道表面鴨形壓痕（60×）Fig.9 Duck－shaped indentation on raceway surface

5.2 預(yù)防措施

1）對(duì)軸承清洗過(guò)程和潤(rùn)滑油系統(tǒng)的清潔度控制進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化；

2）完善軸承生產(chǎn)、安裝及試車工藝過(guò)程控制，改進(jìn)相關(guān)工藝，減少軸承損傷風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析，確定該軸承故障是由于溝道表面損傷導(dǎo)致的，原因?yàn)楫愇镞M(jìn)入或加工及拆卸過(guò)程損傷。應(yīng)在軸承生產(chǎn)、安裝及試車工藝過(guò)程及清潔度方面著重控制，預(yù)防類似故障再次發(fā)生。