航空发动机角接触球轴承掉块分析

2015-07-25梁霄可成河赵四洋赵宁宁

轴承 2015年3期

梁霄，可成河，赵四洋，赵宁宁

（1.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳 110862；2.驻沈阳黎明发动机制造公司军事代表室，沈阳 110043）

轴承对主机的工作性能、寿命、各项经济指标及可靠性均有很大影响，在某些情况下，航空发动机轴承失效可能导致机毁人亡的严重后果［1］。因此，准确判断航空发动机轴承失效原因，并采取针对性的预防控制措施意义重大。轴承失效分析是一个极其复杂的问题，影响因素很多，工况条件及轴承内在质量都必须考虑，要具有详尽的原始资料，如轴承服役前后的经历、现场记录及收集的失效零件，并运用正确的分析方法、程序和步骤，才能确定轴承失效形式，找到失效的原因，得出正确的结论［2］。

某航空发动机在工作过程中振动偏大但振动值没有超标，在故障检测中发现高压前支承轴承（多为三点角接触球轴承）内沟道表面出现了裂纹及剥落掉块。对于这类故障，除需更换新轴承外，还须进行发动机附加试车，不仅造成较大的经济损失，而且影响主机的正常运行。因此，通过对故障套圈进行断口形貌观察及金相图谱对比，探究故障机理、分析故障原因，以便采取针对性的措施，从根本上杜绝此类故障的发生。

1 故障现象

高压前支承轴承（以下简称前轴承）内沟道表面出现裂纹及剥落掉块的故障件宏观形貌如图1所示，图中箭头所指处为剥落掉块位置。

图1 故障轴承内圈宏观形貌

内沟道表面裂纹形貌如图2所示，目视放大镜观察，可见沿周向约15 mm长的区域内出现了半网状裂纹，共15条左右，长度为3～7 mm。

图2 故障部位放大图

内沟道裂纹区域可见3处明显的剥落掉块现象（图3），掉块坑底呈现新鲜的金属光泽；对内沟道表面进一步放大观察，未见球和沟道有擦伤痕迹，且表面未见氧化。

图3 剥落掉块形貌

2 故障检测及轴承受力分析

轴承选型得当且维护和润滑良好，其使用寿命一般均能超过计算寿命，但在使用过程中，由于受各种因素的影响，有时会出现意料以外的早期损坏［3］。轴承出现早期损坏势必存在一定程度的异常情况。

2.1 统计分析

取批生产发动机厂内试车后故障检查样本数据，结果表明：前轴承因内沟道表面有裂纹及剥落掉块报废的故障率仅为0.5%，且外场正在使用的发动机通过滑油光谱分析、磨粒分析也未见异常。由此可见该故障应为小概率偶发事件，必然存在异常之处。

2.2 理化检查

2.2.1 微观检查

用扫描电镜对3个掉块坑的内侧面进行放大观察，未见疲劳特征，均呈如图4所示的脆性断口形貌；利用背散射图像观察掉块部位及微裂纹处，未见与材料有关的冶金缺陷。

图4 扫描电镜图

2.2.2 硬度检查

硬度反映材料阻止压入的能力，因此，硬度也反映了材料阻止磨损的能力。可用静态或动态的方法测量硬度［4］。文中采用静态方法测量洛氏硬度，每个部位测量3个点，具体数据如下：

（1）内沟道微裂纹附近硬度分别为63.0，62.8和63.3 HRC；

（2）内沟道其他部位硬度分别为63.3，63.0和63.0 HRC。

测量结果表明：内沟道硬度符合标准要求，可排除异物压入和异常磨损导致失效的可能性。

2.2.3 金相检查

沿沟道面法线方向切开半环，磨制金相试样进行观察，金相组织为回火马氏体+均匀分布的碳化物。沟道表面法线截面处裂纹深度最大处约1.1 mm，截面试样上裂纹形貌如图5所示。

图5 截面试样上的裂纹形貌

2.2.4 检查结果

（1）前轴承内沟道表面裂纹为应力裂纹，呈半网状分布。

（2）掉块坑内未见疲劳特征，均呈脆性断口形貌，未见与材质有关的冶金缺陷。

（3）半环法线截面裂纹最大深度约为1.1 mm。金相组织为回火马氏体+碳化物。

（4）能谱分析材料符合Cr4Mo4V钢标准。

2.3 受力分析

理化分析表明，前轴承内沟道表面裂纹为应力裂纹，呈半网状分布，因此有必要对该轴承的受力情况进行分析。

滚动轴承是通过外壳（轴承座）和轴承受并传递载荷［5］。轴承受力状态比较复杂，尤其是三、四点角接触球轴承的受力状态更加复杂。前轴承载荷的传递路线是：轴向和径向载荷通过内圈、钢球、外圈再传递到轴承座。

在载荷作用下，接触区域变形，载荷作用在微小的接触面积上，使接触部位邻近区域产生较大的接触应力，通常滚动轴承内的接触应力在2 000～4 000 MPa。轴承的静承载能力除材料本身的性能外，还受接触面间的压应力分布，特别是剪切应力分布的影响。分析表明，最大静态切应力发生在接触表面下一定深度处，作用在与坐标轴y和z成45°的平面上。轴承在承载下运动时，表面下平行于滚动方向的切应力将按交变应力规律变化，在某一深度其幅值达到最大值，称为最大动态切应力。最大动态切应力对接触疲劳裂纹的发生和扩展起主要作用，而最大静态切应力对接触表面下的塑性变形起主要作用。

当轴承零件所承受的应力超过材料极限时，其内部或表面便发生断裂或局部断裂现象。由于某种原因，如热处理不当、局部磨削过热等非正常操作均可能导致套圈内部产生异常应力，轴承工作过程中，沟道承受相当高的交变接触应力，极易产生裂纹、剥落等损伤，最终导致轴承早期失效。

3 综合分析

通过上述故障统计、掉块观察、金相检查及轴承受力分析，可以看出局部半网状裂纹的产生与零件加工有关（出现了二次淬火层），排除了滚动接触疲劳、安装偏斜以及供油不畅过热导致硬度降低等情况。

3.1 磨削裂纹

通常磨削裂纹产生的原因有：（1）在磨削金属表面时产生大量的磨削热，这种热量可使磨削表面温度快速达820～840℃，如果磨削时冷却不充分，磨削热足以使磨削表面薄层重新奥氏体化，随后再次淬火成为马氏体，使表面层产生附加的组织应力，最终可能导致磨削表面产生磨削裂纹；（2）零件淬火、回火后组织中还可能存在残余奥氏体、网状碳化物或内应力，磨削热可进一步引起组织转变或应力再分配，最后导致产生磨削裂纹。例如，当磨削的零件还存在一定数量的残余奥氏体，在磨削热影响区内的残余奥氏体发生分解，并转变成马氏体，引起零件局部体积膨胀而形成组织应力，当这种应力大于材料的抗拉强度极限时，即可形成磨削裂纹［6］。

综上所述认为，前轴承内沟道在磨削加工过程中，由于操作不当，如瞬时进给量过大或对刀时暂时关闭冷却液，致使短时冷却不良，产生局部二次淬火层，导致套圈内部产生异常应力；使用时叠加了轴承工作过程中施加的工作应力而产生裂纹，裂纹扩展进而在裂纹闭合处产生剥落掉块。