浅论国内航空轴承的失效问题

刘德林，姜 涛，何玉怀，刘春江，陶春虎

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

轴承作为支撑转动部件的关键零件，是传动系统所不能缺少的。轴承服役工况复杂，对制造质量、加工装配精度、润滑质量等要求极高，特别是航空轴承作为重要的承力转动部件，其运转速度快，润滑条件复杂，又要经受摩擦热以及振动等严酷的使用环境，失效概率相对更大，失效现象和行为也更为复杂。轴承一旦失效往往带来发动机停车、电机停止供电、液压系统故障等严重后果，是很多飞行事故和征候发生的重要源。在某些情况下，航空发动机中的轴承失效甚至会导致机毁人亡的后果。我国某型发动机在研制试验过程中出现过十几起轴承故障，其中2 起导致发动机整机毁坏。近些年新型飞机、发动机的大量出现，对发动机乃至附件的功能提出了更高的要求，轴承故障数量大幅度增加。图1 所示为中航工业失效分析中心统计的2009～2014年国内航空轴承失效案例数量的变化趋势，近几年基本呈上升趋势。由此说明航空轴承的失效问题日益突出，面临形势极其严峻。

与国外轴承相比，国内航空轴承主要存在2 个大问题:1)寿命低。如阿勒-31F 发动机的主轴承，国内生产的轴承给定寿命为500 h，即到发动机首翻期就需更换轴承，而国外轴承与发动机同寿;又如某新型涡扇发动机的三支点主轴承，国内给定寿命为300～500 h，而国外轴承也与发动机同寿。2)可靠性差。国内轴承可靠性差导致轴承在首翻期内经常提前失效。如2011年三支点主轴承连续发生多起故障，其中最严重的一起造成发动机掉转而紧急迫降。通过对失效案例统计分析发现，国内航空轴承寿命低、可靠性差的根源在于轴承设计、制造(包括原材料质量)、装配、润滑、使用维护等方面均存在一些问题，其中以设计、制造方面尤为突出。

图1 近6年国内航空轴承失效案例数量变化趋势Fig.1 Failure number of domestic aero-bearings in the last 6 years

本研究介绍滚动轴承失效的基本模式和原因，通过失效案例分析国内航空轴承存在的问题，对比国内外航空轴承的现状，旨在为航空轴承的设计、制造、使用、维护等方面提供参考和借鉴。

1 滚动轴承失效的基本模式和原因

滚动轴承的失效模式严格按照其最初失效的原因进行分类，GB/T 24611—2009/ISO 15243:2004《滚动轴承损伤和失效术语、特征及原因》将滚动轴承的失效模式分为6 个大类，即滚动接触疲劳、断裂和开裂、磨损、腐蚀、塑性变形、电蚀。

1.1 滚动接触疲劳

滚动接触疲劳所引起的失效，是指轴承在运转期间由于交变应力导致在接触面上或接触面的亚表面处形成疲劳裂纹而造成的失效。接触疲劳是滚动轴承最常见的失效模式，图2 为中航工业失效分析中心近几年来分析的航空轴承失效模式统计结果，其中接触疲劳剥落最多，超过1/3。按疲劳裂纹的起始位置，滚动接触疲劳分为2 种:亚表面起源型和表面起源型。根据赫兹理论，在滚动接触载荷作用下，距表面0.78b(b 为接触区宽度)处为剪切应力最大的位置，因此疲劳裂纹通常从该位置(亚表面)萌生。接触疲劳裂纹的萌生常常是由轴承钢中的夹杂物、显微孔洞、微裂纹等缺陷引起。在轴承工作载荷较大的情况下，缺陷(裂纹源)两侧有时能观察到“蝶形”马氏体的现象，如某型发动机的主轴轴承在试验、试车过程中发生多起接触疲劳剥落失效，裂纹起源于滚道亚表面的锻造微裂纹缺陷，微裂纹两侧的白色侵蚀区为高硬度的马氏体，呈“蝶形”(图3)。这种组织为轴承运转过程中产生的变异组织，并非原始组织缺陷。该组织边缘通常会产生裂纹，并向滚动接触表面扩展，进而形成剥落。

图2 航空轴承按失效模式统计分布图Fig.2 Statistics of aero-bearings by failure modes

图3 白色“蝶形”马氏体Fig.3 White martensite in butterfly shape

表面起源的疲劳是由表面损伤造成的一种失效模式。表面损伤是在润滑状况劣化时出现一定程度的滑动，对滚动接触金属表面微凸体的损伤。下列因素易于导致疲劳裂纹起源于表面［1］:1)腐蚀斑点、操作刮痕、表面夹杂和表面压痕等形成应力集中;2)润滑不良通常引起较小的表面不连续性缺陷，例如剥落;3)油膜达不到临界厚度形成轴承表面大面积的损伤。

1.2 断裂和开裂

这里的断裂和开裂是指轴承接触区以外的主要构件断裂引起的失效破坏。轴承外圈上易于产生的周向裂纹一般产生于轴承座支撑不够均匀时，如轴承座圆度不够。这种断裂常发生于远离滚道中部的区域，通常断裂成几块。

内圈开裂一般发生在轴向，这可能与往轴上套装时阻力过大而产生较大的环状应力有关。另外，松动的配合可能导致内圈和轴间相对移动，造成内圈端面与周边部件刮擦，从而导致端面径向开裂。

滚珠和滚棒有时发生断裂和开裂。滚珠一般是被破裂成尺寸近似相等的几块而失效，一般首先萌生于外表面的优先剥落区域。

保持架在运转过程中发生的断裂通常为疲劳断裂。保持架疲劳断裂的确切原因有时难以判断。一方面，保持架的疲劳断裂可能是由于系统其它部位存在较大振动或其他部件发生偏载，甚至失去平衡后导致保持架发生振动所致，另一方面则可能是由于保持架存在装配损伤(变形、微裂纹等)或本身的运动状态(如结构设计不合理)导致的。因此，查找保持架的失效原因需结合轴承及系统其它部件的损伤情况、系统的振动情况、轴承设计及装配过程等方面进行分析。

1.3 磨损

尽管滚动轴承是基于滚动接触原理而设计的，摩擦影响很小，然而磨损引起的轴承失效却不容忽视。由于滚动轴承的结构特点，决定了它对污物或外来硬颗粒杂质是极其敏感的。这些外来物总是或多或少起到磨料的作用，从而产生磨粒磨损。润滑不足通常会引起粘着磨损，即材料从一表面转移到另一表面，并伴随有摩擦发热，有时还伴随有表面的回火和重新淬火。

滚动轴承磨损的原因一般有以下几方面:1)润滑剂承载能力低;2)润滑剂污染(细小硬质颗粒或水进入);3)轴承装配后游隙不合理，如圆锥滚子轴承调整不当而导致不均匀磨损。

1.4 塑性变形

轴承由于过载包括局部过载而使接触面发生塑性屈服，称为塑性变形失效。若轴承处于静止状态，则轴承的塑性变形使接触面可能受到压痕损伤，若处于运转状态，接触面可能发生畸变。静止轴承承受过大的冲击或振动载荷，在滚道表面产生的等间距压痕称为假性布氏压痕，如图4 所示。这种压痕分布与滚动体的分布有一定的对应关系(间距一致)，且一般位于一侧(静止放置的下侧)的滚道正中间，与污物或铁屑等颗粒所造成的刻痕能区分开来，后者的分布通常是无规律的。不适当的装配方法，如安装紧配合部位用力过猛或外套圈斜翘着装入轴承座内，也能引起过载压痕。

软化则是滚动轴承另一种塑性变形现象。如果轴承在超过所用材料的回火温度发生过热，则所有构件迅速软化并随之发生塑性变形。

图4 轴承内圈滚道表面的假性布氏压痕Fig.4 Pseudo bush indentation on bearing inner ring raceway surface

1.5 腐蚀

当润滑剂中的水分、变质润滑剂或外界潮湿大气与轴承发生电化学反应，轴承表面会形成腐蚀损伤。轴承表面常见的腐蚀形式是微小麻坑，这些麻坑会产生应力集中，从而萌生裂纹。另一种常见的腐蚀是微动腐蚀，常见于内圈与轴、外圈与轴承座的配合表面，出现这种腐蚀一般是不合适的配合(如轴与内圈的过盈量太小或表面太粗糙)或振动造成。

1.6 电蚀

轴承电蚀是指电流通过滚动体和套圈时击穿油膜产生电火花，表面出现局部的熔融和凹凸现象。其根本原因是绝缘不适当或绝缘不良。由于电蚀在航空轴承上较少见，故在此不赘述。

2 国内航空轴承失效反映出的主要问题

通过对失效案例统计分析发现，国内航空轴承在设计、制造、装配、润滑、使用维护等方面均存在一定问题，其中以设计、制造尤为突出。

2.1 设计

国内航空轴承由于设计不合理导致的失效占有不小比例。国内航空轴承基本以测仿为主，但与国外轴承相比往往存在一些结构细节上的差异，带来的后果是局部结构不合理而导致早期失效。造成这种差异的原因，一方面是由于往往只通过轴承设计标准反验算后确定，缺乏对轴承性能的系统分析，对细节部位的设计没有吃透;另一方面是受加工能力的制约，如国内轴承保持架的铆钉发生多起断裂失效，均断裂于冷镦一端。铆钉断裂与配合间隙、装配同轴度等因素有关，但其中一个重要的因素是铆接工艺，国外均采用双面热铆，铆钉使用寿命长，而国内只能采用一头热铆、另一头冷镦的工艺。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［2］。

轴承在设计过程中存在的另一问题是研制初期设计人员对轴承的工况了解不够，经常出现使用过程中轴承适应不了工况造成失效的现象，其结果是不得不改进设计。

如直升机主动齿轮轴的轴颈与轴承发生严重磨损(图5)，引起旋转轴线相对自由涡轮轴线偏移增大，造成传动轴传递扭矩的同时叠加了较大弯曲载荷，从而导致传动轴发生疲劳断裂，引起涡轮盘超转并甩出导致发动机失火，最终酿成重大事故。轴承与轴颈发生磨损的原因在于设计选材不合理，两者在工作温度下热膨胀系数不匹配，出现了配合松动的现象。

图5 轴承配合面磨损形貌Fig.5 Wear morphology of the bearing mating surface

又如附件机匣装用的轴承曾先后发生十几起保持架疲劳断裂失效。保持架材料为铝青铜。从十几起故障的失效特点来看，保持架的疲劳断裂是在轴承滚珠、内外套圈基本没有损坏的条件下发生的;断口上疲劳扩展充分，条带细密，典型失效件中还出现了保持架本体周向等分式的疲劳断裂现象(图6)，具有共振断裂的特征。

图6 保持架断裂外观Fig.6 Appearance of fractured cage

保持架固有频率的计算结果和齿轮的激振频率实测结果表明保持架存在一阶和三阶共振。通过采用调质钢40CrNiMoA 替代铝青铜制作保持架，避免了共振现象。

2.2 制造

中航工业失效分析中心近几年来分析的88起航空轴承失效案例统计结果表明，由于制造因素(包括原材料冶金缺陷、轴承表面质量缺陷、加工精度不合格等)导致的轴承失效占有较大比例，达到25%左右。随着冶炼技术的进步，轴承钢原材料冶金缺陷越来越少，但近年也有所出现，如发动机轴承滚珠和内圈在使用过程中曾先后出现过短时间内发生开裂失效的现象，均与铸造孔洞缺陷有关。轴承的加工精度一般也能保证，近年来出现较多的制造问题主要集中在轴承表面缺陷上，如磨削烧伤、锻造微裂纹、淬火裂纹等。

飞机附件机匣定检过程中发现多起回油磁堵有金属屑现象，成分为轴承材料W9Cr4V2Mo，判断为轴承故障。分解检查发现，轴承套圈滚道存在剥落现象(图7)。分析结果表明，剥落区边缘存在磨削烧伤(图8)。磨削烧伤是导致轴承套圈滚道表面产生接触疲劳剥落的根本原因。

近年出现的轴承失效也发现由于轴承材料中残余奥氏体偏高的情况，在使用中出现残余奥氏体向马氏体转变引起体积变化，导致游隙，变化而引起转载打滑。

图7 轴承套圈滚道的剥落损伤Fig.7 Spalling damage on the bearing ring raceway

2.3 装配

装配对滚动轴承寿命的影响也是至关重要的。不正确的装配可能会使轴承产生压痕、凹坑、变形等损伤，还可能会造成偏载，均会大大降低轴承的使用寿命。

图8 滚道表面的磨削烧伤Fig.8 Raceway surface burned during grinding

发动机涡轮后轴承在使用约6 h 后换装到另一台发动机上，又使用了约15.3 h，磁堵报警停机。检查发现保持架的一处兜孔侧边框断裂，滚子脱出。宏观观察结果表明，保持架兜孔内圆、内圈端面倒角处均可见凹坑损伤(图9a、图9b);滚棒端面存在明显压痕(图9c)。以上现象说明，内圈端面与滚子端面发生了撞击，可能会造成保持架兜孔转角处产生变形或微裂纹，从而导致在使用过程中发生疲劳断裂。

2.4 润滑

轴承的润滑质量是轴承使用寿命得以保证的最基本要求。在润滑不良的情况下，轴承滚动体与滚道、保持架之间以及保持架与内外圈之间均会出现滑动摩擦。随着摩擦进行，零件表面粗糙度会加大，磨损加剧，轴承温度急剧升高，并出现粘着磨损，最终轴承可能会止转失效。为了减少摩擦与磨损，滚动轴承工作时各元件之间必须有良好的润滑油膜，利用油膜来隔离各元件的接触表面，防止产生金属与金属的直接接触。润滑还能起到冷却作用，带走运转中产生的摩擦热［3-5］。

国内航空轴承因润滑系统设计不合理导致其失效的案例较少，出现的问题主要集中在润滑剂的清洁度、品质、油路堵塞等方面。由于润滑油不够清洁、未使用规定的润滑油、油路堵塞导致轴承失效的案例不在少数。

图9 轴承的损伤外观Fig.9 Damage appearance of bearing

某飞机环控系统的涡轮冷却器在海拔较高的机场服役过程中多次发生叶轮卡死故障，拆卸检查发现靠近叶轮的轴承失效。分析结果表明，轴承套圈滚道表面发黑，呈典型的磨损形貌(图10);轴承磨损与润滑不良有关。调查发现，技术文件要求每隔20 h 加注30 mL 特14 号油，而提供给使用方的技术文件中却变为了每隔20 h 加注20 mL 特4 号油，加注量和油号均有误。特4 号油的粘度仅为特14 号油的一半，两者的润滑性能存在差异。因此，未按规定使用润滑油可能是造成轴承润滑不良，最终导致磨损失效的主要原因。另外，润滑油在高原环境下的挥发速率较快，在原本加注量偏少的情况下更容易造成润滑不良。

图10 内圈滚道的磨损形貌Fig.10 Wear morphology on the inner ring raceway

2.5 使用与维护

航空轴承属于精密部件，对清洁度要求高，不允许工作表面存在压痕、划伤、变形等损伤痕迹，因此需要谨慎使用和精心维护。不正确的装卸造成轴承损伤、装卸过程中外物进入轴承内部、未按规定使用润滑剂(如更换周期过长、加入量不合适、油品低劣)、润滑剂清洁度不高、轴承储存不当造成腐蚀等等，以上问题在航空轴承的使用中均出现过，应引起足够的重视。

拉力轴承外环安装于螺旋桨桨壳轴上进行旋转试验，在试验转速上稳定运行1 h 后发生断裂，断裂起源于外环表面，呈点源特征，源区呈沿晶断裂形貌(图11a)，其他区域为韧窝特征;源区附近表面可见明显的腐蚀坑和沿晶腐蚀形貌(图11b)，而离断口较远处未见腐蚀特征。由以上现象可知，轴承外环断裂与局部腐蚀引起的表面损伤有关。轴承局部腐蚀由储存不当引起，属于典型的使用维护问题。

3 航空轴承的国内外比对分析

通过失效案例统计结果以及国内外航空轴承对比发现，国内轴承寿命低、可靠性差，主要根源在于设计经验不足和制造技术(包括原材料质量)落后这2 个方面。

3.1 设计经验

国内航空轴承长期以来依靠国外样品的测仿和经验设计或改进设计，在测仿过程中往往只通过轴承设计标准反验算后确定，缺乏对轴承性能的系统分析，加之受加工能力的制约，往往造成对细节部位的设计存在不合理的现象，导致轴承适应不了实际工况而早期失效。不仅轴承存在此类问题，其他航空零部件也存在类似问题，只不过由于轴承转速高、工况复杂，更容易失效而表现得尤为突出。

图11 外环损伤微观形貌Fig.11 Micro-morphology of damaged outer ring

国外的轴承企业在设计上运用先进的仿真技术建立模型，并通过大量的寿命试验，积累大量的试验数据来不断修正模型，轴承的使用寿命与设计寿命偏差很小。国内轴承无法做到真正模拟实际工况来进行试验，其试验结果与实际往往有很大偏差，因此无法为设计提供支持，造成设计经验的缺乏。

3.2 制造技术

国外航空轴承套圈和滚动体采用的材料主要有高碳铬轴承钢和各种高温钢、高温渗碳钢、高温不锈钢、高温渗碳不锈钢等［6］。原材料均采用双真空冶炼，材料纯度高、含氧量低、材质均匀、性能好，钢材的成熟度较高(7 级以上)，制造的轴承寿命长。国内航空轴承材料牌号与国外基本相同，且冶炼、热处理手段也相似，但钢材成熟度较低(4～5 级)，夹杂物和碳化物尺寸及分布的均匀性、成分均匀性与国外相比还有很大的差距［7-9］。

由于轴承的磨损、疲劳剥落等失效常常起源于表面或者亚表面，因此，工作表面质量的好坏直接影响轴承的使用寿命和可靠性。磨削加工是滚动轴承零件加工的重要工序，甚至是最后工序，它对滚动轴承工作表面的性能影响显著，主要表现在滚道磨削后，易引起滚道表面层几何形状、金相组织、物理性能、力学性能和化学性能等方面的改变。因此，磨削表面质量是影响轴承寿命的关键因素［10-12］。我国磨削技术落后、磨削控制能力低、磨削砂轮和磨料质量差，这些因素严重制约了轴承的磨削质量。如某涡轴发动机的主轴承对加工精度要求极高，但由于其尺寸小，因而磨削加工难度大，国内轴承的使用寿命仅1 000 h，而且可靠性差。而国外轴承能使用至2 000 h 以上。

国内外航空轴承制造技术的差异也体现在保持架上，如前面提到的双半保持架的铆接工艺，国外采用双面热铆，而国内只能一头热铆、一头冷镦，工艺不同决定了使用可靠性的差异。通过对比还发现，国内外保持架在兜孔锁点加工、兜孔转角过渡等方面也存在差别。

4 结束语

对滚对轴承的6 种失效模式和原因进行了简单介绍，并对航空轴承失效案例进行了统计和归纳总结。结果表明:滚动接触疲劳为航空轴承最常见的失效模式;国内航空轴承寿命低、可靠性差的根源在于轴承设计、制造(包括原材料质量、锻造、热处理、车削、磨削等)、装配、润滑、使用维护等方面均存在一些问题，其中以设计、制造方面尤为突出。通过对比分析国内外航空轴承的现状，发现国内轴承在设计经验、原材料纯净度、成分与组织均匀性以及表面质量尤其是磨削表面质量等方面与国外相比仍有较大差距。

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