某新型燃气轮机低压前轴承试后失效的原因分析

黄海军，夏金财，莲云英，蔡丽萍

（1.浙江省机电产品质量检测所有限公司，浙江 杭州 310022；2.杭州东华链条集团有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

船舶用的燃气轮机低压前轴承是承载转子高速转动，并将转子的载荷向外传递的承力部件，为燃气轮机的关键部件，使用寿命一般不低于25 000 h。某船舶新型燃气轮机采用国产研制的低压前轴承，在装机使用前需对低压前轴承的寿命进行台架加速耐久模拟试验。

低压前轴承采用双半内圈三点接触球承，外形尺寸为170 mm×280 mm×51 mm，轴承内外圈和钢球采用8Cr4Mo4V材料。低压前轴承加速耐久试验采用中型高速轴承试验机，为保证加速试验结果准确和有效，轴承试验转速与实际工况一致，仅对轴向和径向载荷加强2倍，试验基准时间为运行3000 h。受试的2套轴承运行469 h后，发现轴承振动值异常增大，遂停机检查，发现其中一套受试轴承外圈因疲劳剥落。按照常规方式进行故障分析，未发现异常情况，并不能判定失效原因，需要对失效轴承进行深入和系统的分析。

1 故障描述

1.1 试验过程

试验轴承装在台架试验机中，在试验机主轴的驱动端和非驱动端各安装一套受试轴承，中间安装2套陪试轴承。受试轴承内径表面与轴承内套外径表面配合，轴承内套安装在试验主轴上，受试轴承外径表面安装在端负荷体内孔中。受试轴承采用端面喷射润滑加环下润滑的方式，润滑油进入轴承内腔时的温度为40~50℃，对轴承润滑后回流至油箱，轴承产生的热量将润滑油加热，回油温度为80~90℃。油箱上的冷却系统对润滑油进行降温，降温后的润滑油再次对受试轴承进行润滑形成了循环润滑。同时，受试轴承外圈温度维持95~100℃，润滑油过滤精度为10μm。受试轴承强化寿命试验条件如表1所示，试验时，对各工位轴承的载荷、速度、振动、温度进行监控，试验运行469 h后，发现工位Ⅰ上的受试轴承失效。

表1 受试轴承强化寿命试验条件

1.2 试验结果

1.2.1 形貌检查

试验机主轴驱动端上的受试轴承为双半内圈三点接触球轴承，未见明显高温变色或磕碰伤等缺陷。外圈沟道上的运行轨迹偏离沟底一侧，沟道上有一处剥落区域，剥落区域长约25 mm，宽约8.5 mm，沟道未剥落区域上有许多压痕，未见明显高温痕迹（图1a），内圈沟道上整周运行轨迹正常（图1b）。钢球表面呈白亮色，未见明显剥落和高温现象；保持架完好未见异常。试验机主轴非驱动端上的受试轴承及中间陪试轴承均完好，未见明显异常。

图1 失效轴承零件外观

1.2.2 尺寸精度检测

对受试失效的轴承进行尺寸精度检测，尺寸精度符合图纸技术要求，检测结果如表2所示。

表2 轴承尺寸精度检测结果

1.2.3 理化检测

受试失效轴承外圈材料为8Cr4Mo4V，剥落外圈硬度、马氏体、碳化物、非金属夹杂物等均符合图纸技术要求，检测结果如表3所示。

表3 剥落外圈理化检测结果

1.2.4 扫描电镜检查

在扫描电镜下对失效轴承外圈沟道剥落区的中间和附近、非滚动接触区域分别进行检查，发现剥落区域均可见疲劳辉纹，但未发现明显非金属夹杂物和冶金缺陷，剥落部位附近的运行轨道上未剥落区域有点状凹坑和磨粒磨损（图2），沟道上非滚动接触区域有明显的白色一次碳化物，这表明滚动区域上的点状凹坑应为一次颗粒碳化物脱落。

图2 外圈沟道剥落区域附近

1.2.5 试验过程参数调查

由试验监控记录数据的分析结果可知，受试轴承在试验过程中的转速、径向载荷、轴向载荷、外圈温度均符合试验技术要求，供油温度、回油温度也比较稳定。驱动端和非驱动端的受试轴承振动参数曲线如图3所示。

图3 受试轴承振动参数曲线

2 分析与讨论

2.1 结果分析

外圈失效形貌具有典型的疲劳剥落特征，导致早期疲劳剥落的因素有很多，轴承设计、材料、制造、运行工况等都会导致外圈剥落[1]。

2.2 设计与制造分析

受试轴承试验条件为径向载荷5 kN，轴向载荷30 kN，径向和轴向的联合载荷P/C值为0.12，转速为7736 r/min，利用Weibuill理论计算得出受试轴承基本额定寿命为1294 h[2]。受试轴承试验基准时间为3000 h，而受试轴承试验运行时间须达到基本寿命的2.32倍。根据受试轴承运行工况，采用有限元分析计算出受试轴承外圈最大接触应力为1046 MPa，低于轴承一般的疲劳接触应力1800 MPa。由此可见轴承的寿命远长于失效轴承的有效运行时长。

轴承内外圈和钢球选用的材料为高温轴承钢8Cr4Mo4V，其具有较高的高温稳定性、高温硬度和高接触抗疲劳性。加速耐久寿命试验时，外圈温度为95~100℃，并且失效轴承外圈的碳化物和非金属夹杂物的检测结果均符合相关要求。因此，受试轴承外圈选材及材料品质不合格的因素可以排除。另外，失效轴承外圈硬度、回火稳定性、显微组织、磨削烧伤等检测结果均符合相关要求，失效轴承的径向游隙和轴向游隙、尺寸精度的检测结果也符合相关要求。

2.3 试验运行过程分析

受试轴承采用端面喷射润滑加环下润滑的方式，而失效轴承外圈沟道上的剥落区域附近未见明显高温粘着和磨损迹象，因此，外圈剥落与润滑不良不存在直接关联。

失效轴承剥落区域下方存在多条裂纹，裂纹从外圈次表层向沟道表面扩展，表明裂纹起源于沟道次表层。剥落区域附近存在一次碳化物脱落现象，表明沟道表面也受到较大的接触应力。因此，受试轴承试验过程中受到过大的接触应力是外圈剥落的主要原因。

由图3可知，在试验前期，驱动端轴承振动值为40~60 m/s2，而非驱动端轴承振动值低于30 m/s2；在试验中期，两者的轴承振动值相当。试验前期轴承振动值偏大与轴承质量和工装质量相关。据查，试验工装安装后主轴两端同轴度为0.05 mm，驱动端的受试轴承靠近试验电机驱动端，导致在试验前期驱动端比非驱动端的轴承振动值大；试验中后期试验工装经跑合后振动值趋于减小，并达到了稳定状态。驱动端受试轴承在较高的振动环境中高速高载运转，轴承外圈受到了异常的冲击，导致外圈接触应力过大而产生疲劳剥落[3]。

3 试验验证

受试轴承加速耐久寿命试验属于高速重载运转的试验。对于高速重载耐久寿命试验，试验工装同轴度及其动平衡尤为关键。受试轴承的耐久寿命试验要求试验工装安装在主轴上后，主轴两端同轴度低于0.02 mm，动平衡试验低于4 g，试前工装质量达到该要求后才能进行试验。

再次按要求进行试验的过程中，驱动端和非驱动端的轴承振动值试验在前期都低于25 m/s2，试验过程中受试轴承的振动值较稳定，受试轴承符合加速耐久试验基准时间达到3000 h的要求。

4 结语

受试轴承外圈属于典型的疲劳剥落失效，与轴承试验运转过程中受到过大的接触应力有关。因此在台架寿命试验的过程中，要尽量模拟整机的使用工况，对轴承载荷谱、润滑系统和安装进行控制，对高速重载试验的试验工装尺寸精度、动平衡等影响因素也需要尤为关注。对试验工装改进后，受试轴承顺利通过了加速耐久试验，这不仅验证了失效分析的正确性，也为重载高速模拟试验及重载高速轴承安装运行提供了一定的理论依据。