三點接觸球軸承失效分析

萬強，吳新躍，賀少華

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

某型燃氣輪機3號機的高壓壓氣機轉子前軸承為三點接觸球軸承，材料為高溫軸承鋼GCr4Mo4V。該軸承運行不到2年未達設計壽命(98 000 h)便提前失效，下文就其失效原因進行了分析。

1 高壓轉子軸承的工況

高壓轉子由前、后軸承配合來支承其運轉，前、后軸承都是外圈固定，內圈轉動。前軸承為三點接觸球軸承(圖1)；后軸承為外圈無擋邊的圓柱滾子軸承(圖2)。燃氣輪機工作時，高壓渦輪轉動帶動高壓壓氣機工作，使從低壓壓氣機流過來的空氣再次加速流向燃燒室，因此只有前軸承承受軸向載荷。由于從燃燒室里噴出的高溫高壓氣體直接作用于高壓渦輪，因此高壓轉子受到的軸向載荷與氣流方向一致，只有前軸承外圈和內圈左半圈承受軸向載荷，而右半圈基本不受力。

1—前軸頸；2—螺母；3—前軸承；4—螺母；5—前軸承座

1—后軸承座；2—后軸承；3—隔圈；4—套筒；5—后軸頸

前軸承結構尺寸為：外徑D=240 mm，內徑d=160 mm，寬度B=38 mm，球徑Dw=23.81 mm，球數Z=22，球組節圓直徑Dpw=201 mm，設計極限轉速為12 000 r/min。

軸承的潤滑和冷卻主要是向軸承端面噴油來實現，潤滑油從3處以均等的份量射向軸承內圈與保持架之間的間隙。在軸承的2個內半圈接縫處加工有6個圓孔，孔中的潤滑油在離心力的作用下濺射到軸承內部，以實現對軸承徑向附加供油。燃氣輪機在0.1工況時，高壓轉子轉速為7 600 r/min；0.35工況時，轉速為8 500 r/min；0.6工況時，轉速為8 900 r/min；0.8工況時，轉速為9 200 r/min；1.0工況時，轉速為9 900 r/min。

2 軸承檢查

2.1 外觀檢查

分解軸承檢查發現，外圈與軸承座安裝的配合表面、內圈與軸頸安裝的配合表面均無磨損和其他異常現象，內圈、外圈、鋼球及保持架外形均保持良好，但內、外圈溝道表面都出現了不同程度的點蝕現象，尤其是外圈溝道一側表面還出現了連續的片狀剝落，其長度約為溝道周長的1/4。內圈的點蝕發生在左半圈溝道上，在右半圈溝道上沒有發現點蝕和其他失效現象。由于外圈失效(圖3)比較嚴重，因此對外圈進行了比較詳細的檢查和分析。

圖3 軸承外圈失效照片

2.2 金相分析

對外圈溝道光亮部位沿縱向切取特征試樣，將試樣切面磨平，并經過浸蝕劑處理，在顯微鏡下對該面放大500倍進行觀察，組織為馬氏體、一次碳化物、二次碳化物和殘余奧氏體。根據基體馬氏體組織的粗細和碳化物溶解程度，該組織評定為3級。依據JB/T 2850—1993中的相關規定，其顯微組織均符合標準要求[1]。溝道剝落部位存在大量疲勞裂紋，裂紋大多沿溝道表層擴展，個別伸向心部，如圖4所示，裂紋深度約2.2～6 μm。

圖4 軸承外圈剝落區心部裂紋

2.3 硬度檢測

根據JB/T 2850—1993相關規定，在外圈端面上沿圓周每隔120°，用洛氏硬度計對外圈上的3點進行硬度檢測，硬度分別為 62.3，63.8和63.7 HRC，符合標準要求(回火后套圈的硬度在60～64 HRC，且外圈直徑大于100 mm時硬度差不大于2 HRC)。

2.4 材質檢驗

從外圈上取一個試樣作化學分析，其化學成分及含量(質量分數)如表1所示。結果表明，P的含量稍微超標，其他元素含量均在標準要求范圍內，但P的超標量不足以影響軸承的質量和總體性能，所以軸承化學成分及含量符合相關標準要求[2]。

表1 軸承的化學成分及含量 %

3 失效分析

通過金相分析和材質檢驗，排除了軸承材質方面的問題。由于外圈溝道面一側發生剝落，另一側未發生剝落，而且內圈左半溝道也出現了明顯的點蝕，而右半溝道沒有明顯的點蝕、剝落、刮傷及磨損等失效現象，所以可以初步判斷軸承在工作過程中受到了較大的軸向載荷，致使軸承溝道和鋼球接觸部位應力過大，在循環載荷的作用下，過早出現了疲勞失效現象。

為了對軸承在工作過程中是否承受過大的軸向載荷進行確定，在如圖5所示部位安裝了測力彈性環(彈性環測力范圍≤30 kN)，對軸向載荷進行了第1次測量，測量結果如圖6所示。由圖可知高壓轉子軸向載荷超出圖紙上規定范圍(18 kN)較多，從曲線的走勢看，軸向載荷已超過了彈性環正常的測量范圍(30 kN)，其方向是朝向渦輪的。在軸向載荷測試完后，拆下軸承和彈性環進行檢查，發現在高壓前軸承座受力面上有非常清楚的18處接觸痕跡，這表明在燃氣輪機運行過程中存在很大的軸向載荷，致使彈性環變形與軸承座接觸。

1—前軸頸；2—螺母；3—前軸承；4—螺母；5—彈性環；6—前軸承座

圖6 第1次軸向載荷測量結果

為了確定軸向載荷的大小，又對高壓轉子軸向載荷進行了第2次測量，這次更換成了測量范圍為 50 kN的彈性環，測量結果如圖7所示。從圖中可以看出，高壓轉子軸向載荷是先增大后減小的，在0.45工況時所受軸向載荷達到最大，為38.5 kN，在0.23～0.8工況時，其值都大于30 kN，1.0工況時軸向載荷已降為20.5 kN。

圖7 第2次軸向載荷測量結果

軸承廠方提供數據資料顯示，對于圓柱滾子軸承和球軸承，當實際接觸應力P≤2 000 MPa時，不會引起材料組織的變化，因此可以得到無限長的壽命；實際接觸應力高于2 400 MPa時，超出材料的彈性變形范圍，會產生永久變形，最終導致材料失效；當應力高于4 200 MPa時，將極大縮短軸承壽命，但還沒有超出材料極限強度。

根據第2次軸向載荷測量結果，當燃氣輪機在0.35工況工作時，高壓轉子軸向載荷為37 kN，此時轉速為8 500 r/min，如果不計作用于軸承上的軸向載荷，而只計算鋼球高速運轉產生的離心力對軸承的作用，可以得到鋼球與外圈的最大接觸應力為1 834 MPa；當同時計入離心力和37 kN的軸向載荷時，可以得到鋼球與外圈的最大接觸應力為2 526 MPa；當燃氣輪機在0.8工況下工作時，高壓轉子軸向載荷為30 kN，此時轉速為9 200 r/min，當同時計入離心力和軸向載荷時，鋼球與外圈的最大接觸應力為2 500 MPa。所以，如果燃氣輪機長期在0.35～0.8工況或附近工作時，鋼球與外圈接觸應力將超過軸承材料的彈性變形范圍而產生永久變形，軸承將出現未達設計壽命而提前失效的問題。

4 結束語

由失效分析及軸向載荷測試可知，軸承過早失效是由于軸承所受軸向載荷過大造成的。要解決軸承失效的問題，最根本的辦法就是找到造成燃氣輪機軸向載荷過大的原因，并對其加以解決，最終使軸承受到的軸向載荷保持在合理的范圍內。如果造成軸向載荷過大的原因無法確定，可以替換承載能力更高的軸承，或者對軸承進行優化設計，以滿足使用要求。