发动机轴承保持架铆钉头脱落原因分析

2013-10-22贺孝涛叶新农

失效分析与预防 2013年1期

贺孝涛，叶新农

(海军装备部，西安 710021）

0 引言

微动是两接触表面极小振幅(微米量级)的运动，通常发生在一个振动环境下的近似紧配合的接触表面。由于没有宏观的相对运动，微动现象从设计到失效分析几乎未引起相关学者的重视。其实，微动会造成接触表面摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等，同时，微动也可能加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。微动磨损是指滚动轴承零件的接触表面，由于振幅很小的正动式的相对运动而产生的磨损现象［1］。微动磨损和其他磨损一样，有着极其复杂的过程，尤其是航空发动机所用轴承，工作条件异常恶劣，发生微动磨损的原因更为复杂。因此，对此类微动磨损进行分析研究具有一定的工程价值。

某轴承为发动机高压压气机的前支点，在对发动机进行400 h寿命评估时发现，轴承保持架上30个铆钉有10个铆钉一端钉头脱落，钉杆仍在轴承上。钉头脱落端在轴承安装边的一面，朝向发动机后方。继续检查，在内齿箱壳体靠近轴承安装边的腔体内找到了8个脱落的铆钉头。本研究通过对铆钉头进行结构、断口和金相分析，并对相关零件的尺寸进行测量检查，以确定该轴承保持架铆钉头脱落原因，以期避免铆钉头脱落故障再次发生。

1 轴承结构与安装

铆钉头断裂分布见图1。

图1 铆钉头断裂分布Fig.1 Distribution of rivet heads shedding off from bearing

所分析的轴承是某发动机高压压气机前支点，为带安装边的滚子轴承，外圈带双挡边，内圈无挡边。外圈和保持架、滚子形成一个组件，通过安装边用螺栓固定在内齿轮箱壳体后端面上，内圈压装在高压前轴前端(图2)。发动机工作时，轴承只承受径向载荷，最大为8.9 kN，短时极端状态可达24 kN。轴承运转中，保持架仅起限制滚子位置，保证滚子均匀受力的作用，在滚子的带转下转动，本身受力不大。

图2 轴承装配图Fig.2 Assembly illustration of bearing

该轴承保持架为双半结构，用30个铆钉铆合组成。为保证滑油更好进入轴承滚道和滚动体中，采用保持架加宽结构，保持架为内引导。铆钉用ML15丝材镦制而成，其工艺过程是先冷镦出一端的铆钉头，保持架组合时，穿入铆钉，从另一端采用电热铆合而成。此次断头的全部为冷镦铆钉头。保持架铆合时，将铆钉从保持架座圈一端穿入，露出钉杆，将钉杆端头瞬间加温到红热状态，冲压使之变形形成铆接钉头。保持架材料为QSi－3 硅青铜［2-4］。

2 试验过程与结果

2.1 断口分析

宏观观察断口可见，10个铆钉均断于铆钉头冷镦一侧的钉帽与钉杆倒角R处，断面基本与铆钉杆轴线垂直，无明显的塑性变形。10个铆钉断口形貌相似，断口平坦，多源，线源，裂纹由两侧起裂，向心部扩展，一侧扩展较快，另一侧扩展较慢，扩展区有清晰疲劳弧线和扩展棱线，瞬断区位于铆钉内部偏向一侧，瞬断区较小，约占断面的1/8(图3～图5)。从断口全貌还可以看到钉头倒角处高低不平，局部有磨损粘连现象。

图3 铆钉头断口宏观形貌Fig.3 Characteristics ofthe fractured rivet head

采用扫描电镜高倍观察断口，可见裂纹从两侧起源，线源，起源位置处可见周向的摩擦痕迹，具有微动疲劳损伤的特征，源区附近未见冶金材质缺陷，见图7和图8;扩展区可见到疲劳条带，疲劳条带细密(图9);瞬断区较小，为韧窝特征(图10)。

2.2 金相分析

显微观察冷镦钉头表面状态及变形流线，可见钉头与钉杆转角R处有小折叠及凹凸不平(图11)。将冷镦钉头用4%(质量分数)硝酸酒精腐蚀后观察流线分布，结果如图12所示。由图可见，在钉头在转角R及靠近钉杆附近变形最大，变形线由两端转角R处流出，形成穿流，属变形不良［5］。

图4 铆钉头断口宏观形貌Fig.4 Characteristics of the fractured rivet head

图5 铆钉杆断口宏观形貌Fig.5 Characteristics of the fractured rivet bar

图6 主源形貌Fig.6 Characteristic of initial source

图7 次源形貌Fig.7 Characteristic of secondary source

图8 疲劳条带Fig.8 Fatigue striations

图9 钉头与钉杆转角R形貌Fig.9 Characteristics of turn angle R between rivet head and bar

图10 钉头与钉杆转角R晶粒组织Fig.10 Grains at of turn angle R between rivet head and bar

2.3 尺寸复查情况

对故障轴承保持架铆钉孔直径及铆钉杆直径进行了实测检查，数值如下:

1)对5件故障件铆钉杆前、中、后部直径进行了测量(冷镦钉头为前)，见表1。

表1 铆钉杆直径Table 1 Diameter of rivet bars mm

2)对保持架座圈、盖圈上的30个铆钉孔孔径检查结果见表2。

3)对通过150 h长期试车一台发动机的一套轴承的铆钉杆径及保持架铆钉孔径进行计量，结果与表1和表2相近。

表2 保持架铆钉孔直径Table 2 Diameter of container rivet holes mm

3 分析与讨论

断口分析表明，铆钉断口疲劳区面积较大，疲劳条带细密，瞬断区面积较小，属典型高周疲劳断裂特征［6-7］。铆钉头在工作时承受轴向拉伸交变应力及径向的双向弯曲的交变应力，这是导致其疲劳断裂的应力来源。铆钉头端面及铆钉杆表面的磨损痕迹表明，故障钉头端面与保持架端面之间以及铆钉和钉孔之间存在微小间隙，发动机工作时，铆钉与保持架在高频、小振幅振动环境中，发生反复相对摩擦运动，随着运动速度和方向不断发生改变，在铆钉头端面产生极高的接触应力，当其超过磨粒压溃强度时，使铆钉头摩擦表面产生塑性变形直至疲劳，发生脆断，导致在铆钉头和钉杆倒角处出现微动磨损。因此，铆钉头脱落属于微动疲劳断裂。

与此同时，经对原装轴承保持架铆接实物及设计图纸复查分析，确定原装保持架铆钉采用双面热铆工艺，即采用直杆无钉头铆钉，磨加工直径精密控制杆径，从保持架两端分别热铆合，此工艺可保证钉头端面与保持架端面不存在间隙。而故障铆钉的钉头为冷墩而成，冷墩头端面难免会出现凹凸不平，使得钉头端面与保持架端面配合不良，易于产生微动磨损［8-9］。

此外，金相分析表明冷镦钉头转角R处存在小折叠、凹凸不平及组织变形不良，这对铆钉头的断裂具有一定的促进作用。

综上所述，铆钉头脱落属于微动疲劳断裂，其断裂与铆钉和钉孔、钉头端面和保持架端面存在间隙，以及钉头转角R处存在折叠及组织变形不良等因素有关。