直升机发动机主动齿轮轴承失效分析

2012-07-20李权柴志刚陈林兴长喜徐志刚

轴承 2012年7期

李权，柴志刚，陈林，兴长喜，徐志刚

(1.北京航空工程技术研究中心，北京 100076；2.中国人民解放军第五七零一工厂，成都 610207；3.驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，哈尔滨 150060)

1 失效轴承检查

某型直升机发动机在工作中出现报警，对发动机分解检查发现磁堵上有片状金属屑，经确认该金属屑来自于减速器主动齿轮前轴承滚子。主动齿轮轴承规定寿命为1 000 h，发生故障时轴承实际使用不到100 h。

减速器采用主动齿轮和中间齿轮两级外圆柱斜齿轮减速，主动齿轮由前后两套结构相同的圆柱滚子轴承支承。该轴承采用实体保持架，外圈带安装边和双挡肩，无内圈，内滚道为主动齿轮轴颈；轴承外圈通过安装边固定在减速器机匣上；轴承dmn值达到1.87×106mm·r·min-1。失效轴承位于主动齿轮的输入端。

1.1 外观检查

失效轴承分解后如图1所示。在轴承12粒滚子中有3粒滚子工作面产生损伤，损伤区域呈扇形，周向长约4 mm，径向宽约1 mm。轴承外滚道和主动齿轮轴滚道上有局部剥落和磨损现象，保持架没有明显损伤。

图1 轴承损伤情况

在体视显微镜下对损伤滚子进行观察，其外观如图2所示。滚子损伤区域大小有差异，但位置相当，均位于靠近端部的工作面上，且其断口上有比较明显的疲劳弧线特征，为疲劳剥落。

图2 剥落滚子

1.2 微观检查

选取1颗典型的剥落滚子，利用ZEISS SUPRA 55VP扫描电子显微镜对其进行观察，滚子剥落部位如图3所示。可见扇形剥落位于滚子倒角和工作面末端，倒角部分断口较粗糙，主要表现为放射棱线，工作面部分断口比较平坦，有从倒角侧起始沿轴向的放射棱线，并可见疲劳弧线，整个剥落断口呈高应力疲劳断裂特征。断口疲劳扩展区微观形貌如图4所示，疲劳区已发生磨损并呈现出涟波花样。疲劳剥落起源于滚子外表面，起源部位特征如图5所示，滚子疲劳剥落呈线性多源起始的特点，疲劳源区未见明显的材质和冶金缺陷。滚子剥落相邻部位也已出现层状疲劳剥落(图6)。

图3 滚子剥落部位电镜形貌

图4 断口上疲劳扩展区微观形貌

图5 疲劳断裂起源部位特征

图6 剥落相邻部位的层状剥落

1.3 组织和硬度检查

利用NORAN X射线能谱仪对滚子成分进行分析，滚子能谱图如图7所示，滚子成分符合Cr4Mo4V要求，未发现异常。

图7 滚子能谱图

对剥落滚子组织进行检查，其组织为回火马氏体(图8)，符合Cr4Mo4V高温轴承钢淬火+低温回火热处理状态，未发现夹杂物超标或网状碳化物等异常组织。

图8 剥落滚子组织

利用洛氏硬度计对滚子硬度进行检查，硬度为62.5～63 HRC，符合Cr4Mo4V高温轴承钢滚子的硬度要求。

2 轮廓测量

利用TAYLOR HOBSON S4C型轮廓仪对不同批次的新轴承、故障轴承的滚子和外滚道轮廓及其他相关尺寸进行了测量。故障发动机的主动齿轮轴轴颈(相当于轴承内滚道)测量结果正常，滚子和外滚道轮廓测量结果见表1。

表1 滚子和外滚道轮廓测量结果

测量结果显示，故障轴承的外滚道边缘有凸起，同型新品轴承外滚道正常；轴承滚子凸度控制不严格，检查包括故障轴承在内共6套轴承的滚子，其中3套轴承内安装的滚子凸度偏小，1套轴承内安装的滚子凸度偏大，滚子凸度不符合标准的现象比较普遍(针对该型轴承，某公司企标规定，滚子凸度为3～6 μm)。故障轴承内已经发生剥落的滚子无法进行凸度测量，凸度合格的结果只适用于其他未剥落滚子。

对故障轴承滚子的直径相互差和长度相互差进行测量，直径相互差为2.3 μm，大大超出了标准值0.7 μm；长度相互差为2μm，符合标准要求。

3 分析讨论

3.1 失效形式

通常，滚动体磨损失效产生的颗粒小且磨损过程是渐进的，而滚动体疲劳剥落颗粒较大且失效过程具有突发性。从本次故障件外观及断口观察结果看，轴承中除了3粒滚子端部发生疲劳剥落外，未发现轴承其他组件有明显的损伤。分析认为，发动机减速器主动齿轮前轴承失效形式为滚子端部疲劳剥落。

3.2 失效原因分析

剥落滚子断口检查结果显示，失效为高应力疲劳剥落所致，疲劳剥落起源于滚子外表面，且疲劳起源位置未发现明显的材质和冶金缺陷。滚子原材料及热处理等均正常，符合制造技术标准。从故障现象看，规定寿命为1 000 h的轴承仅使用了不到100 h就在滚子端部的工作面上出现了疲劳剥落，表明轴承在工作中承受了非正常的载荷，滚子端部承受了较大的应力。从发动机使用及检修情况来看，主动齿轮轴的同轴度符合相关技术标准要求，未发现与故障现象有关联的特殊工况。

为了改善滚子的载荷分布，通常将滚子和套圈滚道加工成带凸度的，滚子凸度适当会有效降低滚子端部的应力水平，降低疲劳破坏。本案故障轴承的12粒滚子中只有3粒出现了疲劳剥落，且疲劳剥落均发生在滚子端部，这说明轴承中滚子端部受力状况不一致，发生疲劳剥落的3粒滚子承载较大，端部存在明显的应力集中现象。这说明个别滚子凸度过小可能是本次故障的根本原因。

轴承轮廓复测结果显示，故障轴承外滚道边缘有局部凸起；滚子凸度或大或小，不符合标准的现象比较普遍。分析认为，发生破坏的3粒滚子存在凸度过小的问题，在大应力作用下，滚子端面附近出现非常大的应力集中，导致滚子在使用中发生早期疲劳破坏，并在滚道边缘上形成了凸起。

故障轴承滚子直径相互差和长度相互差测量结果显示：滚子长度相互差符合标准值，而滚子直径相互差则大大超出了标准值。直径相互差大会导致滚子受力状况不一致，直径大的滚子承载较大，因此，滚子直径相互差大也是导致个别滚子过载和提前发生疲劳剥落的重要因素。

3.3 轴承表面质量与振动测试

轴承失效多发生在其表面或表层，表层的质量对轴承的使用寿命是至关重要的[1]，本次故障正是由于表面质量不良导致了早期疲劳失效。

在生产过程中,轴承的质量检查主要是目视外观检查以及游隙、旋转灵活性、噪声、无损检测和残磁测量等相关的检查，来保证轴承产品的质量。由于轴承产品本身的特殊性，目前的检查及处理方法存在薄弱环节，需要增加新的检测方法和手段。本次故障检查中所用的轮廓仪是测量轴承表面质量的可靠工具，也正是利用这一工具，才为本次故障的准确判定提供了有力证据。但是，轮廓仪测量效率较低，不适宜直接用于生产。

振动测试作为轴承故障监测的另一种方法，近些年来已经得到了比较广泛的应用与发展[2-4]，被逐渐应用于低噪声轴承的终检中，并制定了相关的技术标准。根据相关研究，振动值作为轴承动态性能指标，可以反映出轴承制造精度方面的诸多因素[5]，包括套圈滚道的圆度及波纹度，滚动体的圆度，甚至包括套圈滚道和滚动体的表面粗糙度、直径差。因此，从某种程度上看，振动测试甚至可以认为是反映了包括设计及加工质量在内的综合测试。就本次故障而言，如果进行振动测试，应该可以在检验阶段即发现该质量问题而不至于造成使用现场故障。