多种分析方法在轴承故障上的应用

鲁洪宾

摘 要：通过借用多种分析方法对损坏轴承进行故障分析，确定轴承损坏的机理，为后续措施制定及轴承设计提供数据基础。

关键词：损坏轴承；机理；轴承设计；数据基础

1 引言

轴承作为航空武器装配上的重要基础件，当发生故障时严重影响航空武器装备的使用安全性。由于轴承在系统内部，孔探等手段很难将损坏的情况全部探测出来，只能通过分解进行观察，往往轴承发生故障很难在第一时间反映出来，继续工作一段时间后故障件损坏更加严重，给排查工作增加很多困难，只能通过多种分析方法共同使用，查找故障原因。本文通过介绍在型号上实际发生轴承故障时采用的多种分析方法，为今后故障排查、措施制定及轴承设计提供基础数据。

2 轴承损害形式及产生的影响

2.1 轴承损害形式

球轴承保持架铆钉断裂、保持架断裂、内外圈滚道剥落，滚珠有不同程度的碾压损伤。

2.2 对产品的影响

轴承损坏产生大量金属屑，导致产品回油系统堵塞，回油不畅、内部温度上升，导致密封失效，滑油大量泄漏、压力降低，致使产品高温变色失效。

3 多種分析方法的应用

由于轴承安装在系统内部，发生故障后不能立即反馈出来，故障后会工作一段时间，然而，工作一段时间后故障初始迹象往往被覆盖，这对分析故障阻碍很大，因此需借助很多分析手段。

3.1 理论分析计算

根据轴承、轴、座材料参数，轴承工况、配合、温度参数的边界条件，使用COBRA软件分析正常轴承在给定工况下的应力与寿命，看是否满足设计要求。

3.2 有限元分析

轴承的保持架断裂，主要怀疑振动因素，因此采用有限元的方法分析保持架的振动情况，看是否存在共振情况。

该轴承保持架10个兜孔组成，两片半实体保持架由铆钉连接，保持架材料为QA10-3-1.5，依此建模，计算了保持架固有频率，见表1。

从计算结果看，低阶振型不存在共振情况。

3.3 理化分析

3.3.1 轴承部件宏微观观察

对轴承主要部件进行宏微观观察，轴承部件包括外圈、内圈、保持架、铆钉和滚珠。通过宏微观观察可以确定损坏的形式，以保持架、铆钉断口为例阐述宏微观观察所起的作用。

（1）保持架

对保持架碎块进行体视镜宏观观察，在保持架兜孔侧梁还发现多条平行裂纹。断口起源于兜孔与外圆交角、兜孔与内圆交角；扩展区可见疲劳弧线和大量细密的疲劳条带，裂纹沿斜对角方向扩展，裂纹已扩展至端面，瞬断区为韧窝特征。

（2）铆钉

对铆钉头断口进行观察，发现扩展棱线的汇聚方向可判断铆钉起源于圆周方向一圈表面，源区处磨损较严重，裂纹往铆钉径向方向扩展，扩展深度约占铆钉半径的1/2，扩展区可见大量的疲劳条带，中部为瞬断区韧窝特征。

3.3.2 轴承部件金相检查

金相检查观察零件金相组织，通过金相组织的实际情况，推断造成组织变化的原因。以保持架、滚球为例阐述金相观察所起的作用。

（1）保持架

沿保持架纵向截取金相试样，磨制抛光腐蚀后进行金相检查，保持架金相组织均匀。

（2）滚珠

将9#滚珠和10#滚珠中剖，制取金相试样，磨制抛光腐蚀后进行金相检查。9#滚珠表面可见一周的摩擦二次淬火烧伤层，烧伤深度约为0.2mm，且过渡处可见明显的晶界形貌。10#滚珠表面未见烧伤层，表面为剥落坑形成的小裂纹，且近表层和心部金相组织未见明显异常。

3.3.3 轴承部件硬度检查

硬度检查主要是复查硬度值是否满足设计要求的手段，已保持架和滚珠硬度检测为例进行阐述。

（1）保持架硬度检测

保持架硬度测试结果见表2，由表中结果可知，保持架硬度平均值为HV175.82，由于维氏硬度与布氏硬度转换的数值基本相当，可判断保持架硬度符合技术要求。

（2）滚珠硬度检测

滚珠硬度测试结果，9#滚珠近表层烧伤区硬度平均值为HRC59.13，低于技术要求（滚珠：HRC62～65），心部硬度为HRC65.18，略大于技术要求；较小的10#滚珠近表层和心部硬度均较均匀，平均值分别为HRC62.76和HRC62.68，符合技术要求。

3.3.4 理化分析结论

通过对轴承各故障件宏微观观察、金相组织和硬度测试，分析结果汇总如下：

（1）轴承外圈半圈可见剥落特征，其中约1/6圈剥落较严重，滚道处未见烧伤痕迹，另外稍小于1/3区域呈分散剥落形貌，且分散间隔区域约为20°；轴承外圈整个滚道均存在滚珠对滚道的挤压磨损痕迹，并不仅仅是靠推力侧（刻字面侧）存在磨损，表明滚珠在滚道中出现了轴向不平稳运转冲击接触；另外整圈滚道刻字面和非刻字面挡边均可见从滚道内向挡边的冲击挤压金属堆积特征，只是靠近刻字侧堆积更重，也表明滚珠在滚道中出现了不平稳运转冲击接触；滚道轴承外圈可见振纹痕迹；

（2）内圈表面滚道已磨损变色，整圈滚道均可见接触磨损痕迹，滚道金属堆积于滚道两侧挡边处，其中靠刻字侧堆积更重，与外圈损伤形貌对应，表明滚珠在滚道中出现了轴向不平稳运转冲击接触。金相结果显示滚道中部靠刻字侧可见两处月牙形烧伤痕迹。在滚道表面可见20处钢球与滚道表面撞击的痕迹；

（3）收集的10粒滚珠中，9粒滚珠形貌相似，表面可见剧烈擦伤痕迹，表层可见烧伤形貌，且直径尺寸范围为11.6mm～11.8mm；另外1粒滚珠较小，表面圆滑，发黄，尺寸仅为10.93mm，较技术要求小约1mm，该滚珠表面未见烧伤痕迹，表层和心部组织和硬度均未见异常；分析认为10#滚珠本身尺寸可能较小。

（4）保持架和铆钉分别发现4处和3处疲劳断口，其中保持架裂纹起源与兜孔与内环交角上，沿斜对角方向扩展，各断口的疲劳扩展方式、扩展深度相似；铆钉均断裂于铆钉头处，呈圆周起源，径向朝铆钉心部扩展，扩展深度约占铆钉半径的1/2，各铆钉的断裂方式和扩展深度相似。

4 结束语

在轴承发生故障时，往往需要应用多种分析方法相结合的方式进行分析，各分析方法针对特定的影响因素进行分析，主要就是查明该因素是否导致故障，有时各分析方法之间也有相互验证的作用。