航空发动机中介轴承套圈断裂问题分析

李中生 巩孟祥 任志远 贾晓彤

摘 要：某航空发动机分解过程中发现中介轴承外套圈轴向断裂，从轴承的损伤特征、断口分析、加工及装配精度分析等方面进行研究，确定了外套圈的失效性质，并对其失效原因进行了分析，并提出了预防改进措施。

关键词：航空发动机；中介轴承；套圈；断裂；故障分析

中图分类号：V233 文献标志码：A

现代航空发动机广泛使用双转子加中介轴承的设计方案，以达到降低发动机重量而提高推重比的目标，中介轴承相对转速较高，润滑条件困难，是航空发动机的重要部件，也是薄弱部件。轴承失效的影响因素较多，失效形式和故障形貌差异较大，因此，对发动机中介轴承的失效分析具有非常重要的意义。

1 故障特征

某航空发动机在工作过程中振动超标，分解检查过程中发现中介轴承外环套圈一处沿发动机轴向开裂。故障轴承为外圈无挡边的圆柱滚子轴承，套圈和滚子材料为轴承钢，保持架材料为硅青铜，采取环下供油润滑方式，外套圈随高压转子顺航向顺时针转动，内套圈随低压转子顺航向逆时针转动。复查前期记录，未出现过外套圈断裂情况。

2 故障检查

2.1 宏观检查

检查中介轴承内套圈、滚子及保持架均未见明显损伤，整体颜色正常，未见明显高温迹象，外套圈一处凸台跟部沿轴向开裂，滚道面上从开裂处起始有近似矩形表面剥落带，轴向断裂处一侧严重剥落，另一侧未见明显剥落，外套圈轴向断裂处的剥落宽度以及滚道接触痕迹宽度大于远离断裂处，断裂两侧滚道接触痕迹存在轻微的轴向错位，表明最先发生失效的位置应在轴向断裂处。外套圈前端面可见局部接触磨损，靠近断裂一侧前端面上明显可见灰黑色胶状物质粘着，断裂一侧的外套圈后端面局部可见磨损痕迹。

2.2 微观检查

将中介轴承外套圈剥落处和裂纹断口放入扫描电镜进行微观检查。外套圈可见一处15mm×75mm的近似矩形剥落区域和一处轴向断裂断口，剥落区域由密集的大小不一的剥落坑组成，剥落坑内微观可见疲劳特征，即外套圈内径剥落为疲劳剥落（如图1所示），剥落坑周围的基体可见方向不一的微观裂纹形貌，能谱分析剥落处除基体元素和C、O等常见环境污染元素外，未见其他外来金属元素。外套圈轴向断裂断口在内径滚道面一侧可见3个最初起始扩展的台阶区域，随后的台阶分别从这3个台阶区域重新起始并出现扩展，每处疲劳源处均可见内径滚道面基体表面剥落的痕迹，疲劳从剥落坑底部起始，未见明显冶金缺陷，扩展区可见疲劳小弧线特征，瞬断区靠近外径配合面，为细小韧窝形貌，说明外套圈轴向断裂为疲劳断裂，起始于内径滚道面剥落坑（如图2所示）。

外套圈前端面可见的外来物质黏附微观检查为黑色不导电物质，能谱分析主要含C、O，还含有少量的P、S和金属元素。断裂处一侧外圈后端面的磨损处可见碾压和剥落坑，能谱分析磨损剥落处符合基体材料特征，除基体元素外，还有少量的Ni、Cu、Ag、W等外来元素，与后端面配合的外套圈压紧螺母成分相符合，应为压紧螺母成分留存。

微观检查表明，外套圈轴向断裂断口疲劳起源于内径表面处，源区均在发生了剥落的滚道区，且源区可见疲劳剥落坑形貌，即外套圈的轴向断裂起源于剥落损伤处，断口内径侧的其他非源区位置也可见分散的数百微米的剥落损伤，因此分析认为在轴向断裂位置处可能最先出现了剥落损伤。

2.3 金相组织和硬度检查

分别对外套圈在接近轴向断裂处的剥落区域和与轴向断裂处呈180°对称的未剥落区域截取轴向截面，进行金相组织对比观察和硬度对比檢测。

检查结果表明，剥落区域和未剥落区域两处截面基体组织无明显差异，均为马氏体+碳化物组织。剥落区和未剥落区截面基体金相除符合材料规范的碳化物外，未见明显的夹杂成分。两个截面基体硬度均符合技术条件要求。

2.4 轴承轮廓和安装配合精度检查

对同批次102套成品轴承内套圈尺寸、外套圈尺寸、旋转精度、自由状态径向游隙等项目进行100%检测，全部合格，表明成品轴承符合设计要求。

轴承外套圈两端面形状存在差异，有槽口端存在与空气导流调整垫配合痕迹；无槽口端存在与压紧螺母接触痕迹，表明轴承安装位置正确。

故障件理化分析发现两端端面接触痕迹比较明显，前端面可见灰黑色外来物质黏附并形成局部点状凸起，断裂一侧的后端面局部可见剥落；4个大槽口端面与空气系统调整垫配合痕迹深浅不完全一致，与原槽口端面形成轻度台阶状磨痕。上述现象表明，轴承外套圈可能存在安装不到位现象。

3 故障分析

综合宏观检查、微观检查及加工装配质量排查结果，可得出如下分析结论：

（1）外套圈失效形式为滚道剥落和轴向断裂，滚道剥落性质为疲劳剥落，轴向断裂性质为疲劳断裂。

（2）外套圈轴向断裂疲劳起源于滚道疲劳剥落坑处，即外套圈轴向断裂处先发生了疲劳剥落，然后引发疲劳开裂。

（3）外套圈疲劳剥落不能排除轴承外套圈前端面黏附异物影响轴承配合精度，可能导致外套圈安装配合不到位的原因。

该故障轴承为航空发动机中介轴承，内、外套圈反向旋转，外套圈无挡边，属薄壁异型结构轴承，装配在高压转子上，转速高达15000r/min，对安装配合精度要求极高，一旦安装配合出现不到位或配合面精度不足的情况，将会导致轴承外套圈发生偏斜，在轴承工作过程中，造成轴承受力不均，产生局部接触应力过大现象，最终导致接触疲劳剥落。轴承疲劳剥落后，一方面使剥落区域处疲劳强度降低，另一方面也会在剥落点处产生振动冲击载荷，最终导致外套圈在滚道剥落点处发生疲劳断裂，滚道疲劳剥落面继续扩大。

4 改进措施

根据故障分析结论，装配中介轴承时加强对轴承端面和与轴承配合面的检查，装配轴承后通过薄塞尺圆周检查轴承前端面无间隙的方式保证轴承安装到位。

参考文献

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