某發動機軸承失效分析

郭占兵，楊 志

（中國南方航空工業（集團）有限公司工程技術部，湖南 株洲 412002）

某發動機軸承失效分析

郭占兵，楊 志

（中國南方航空工業（集團）有限公司工程技術部，湖南 株洲 412002）

本文對某發動機軸承及相關故障件進行了宏觀、微觀的分析，通過分析認為該發動機軸承失效是由于潤滑失效導致，鼓風機傳動軸、鼓風機進氣段等相關故障件是由于軸承潤滑失效后導致軸承嚴重磨損失效卡滯所致。

軸承；潤滑失效；鼓風機；磨損

1 概述

某發動機在使用后檢查，發現鼓風機進風段組件（安裝座）后錐體殼體裂開，拆下鼓風機后，發現鼓風機軸斷裂，鼓風機軸承失效。至故障時發動機累計工作34小時18分。該發動機鼓風機組件通過附件傳動機匣花鍵帶動鼓風機轉子轉動，軸承座安裝在鼓風機出口段上支撐鼓風機轉子。軸承內、外套圈材料牌號為ZGCr15，滾子的材料牌號為Si3N4，保持架材料為酚醛膠布管，軸承采用潤滑脂潤滑。

2 試驗結果

2.1 外觀

軸承磨損嚴重，軸承外套圈已被完全從跑道面磨斷成兩個部分，一部分掉落，掉落的外套圈已嚴重變形，表面粗糙不平，粘著現象嚴重，已觀察不到外套圈原有的形貌，另一部分粘結在軸承座上，已經很難分辨，見圖1、圖2。

圖1 軸承外套圈外觀（掉落部分）

圖2 軸承座內軸承外套圈

軸承內套圈固定在鼓風機傳動軸上，約1/3跑道面基本保持原有內套圈形貌，其跑道面可見粘著現象，并且靠近螺母一端較靠近葉輪一端嚴重，跑道面靠近螺母一端擋邊位置還可見較明顯的金屬擠出現象；內套圈其余2/3磨損嚴重，并且粘結大量金屬以及出現嚴重的金屬碾壓、擠出現象；嚴重磨損部位殘存有7粒滾子擠壓后形成的輪廓痕跡，即7粒滾子在保持架失效散開或分解之后堆擠在內套圈這個磨損的位置，與內套圈基本無相對運動，見圖3，圖4。滾子軸承共有7粒滾子，經外觀及電鏡觀察，滾子完整，無磨損現象，表面粘附著大量的軸承內外套圈及相關的故障件材料。

圖3 軸承內套圈

圖4 軸承滾子復原圖

圖5 外套圈表面粘結物形貌

2.2 高倍檢查

軸承外套圈幾乎所有表面均粘附有一層鋁合金，心部組織為珠光體，局部碳化物溶解，見圖5，說明溫度超過其材料的AC3（838℃），但小于熔化溫度（1395～1403℃），且冷卻較慢，即軸承損壞后已缺潤滑條件，同時由于高溫使得鋁合金碎塊熔化。

2.3 成分分析

經化學定量分析，軸承內外套圈成分符合相關技術條件要求。

2.4 硬度檢查

外套圈：端面HRC59.8，跑道面HRC61.6；內套圈：端面HRC58.8；滾子：HV0.11400-1600

2.5 保持架分解溫度檢查

經差熱分析儀測定：質量明顯損失起始點：341.27℃，終止點：387.35℃。

2.6 GCr15材料高溫拉伸性能

不考慮較長時間回火性能下降的影響，直接進行高拉試驗，達到保持架明顯分解溫度時（350℃左右）其強度水平只相當于室溫的62%左右（相當于HRC46），已明顯軟化。

σb MPa σ0.2 MPa δ% Ψ%相當于HRC室溫（文獻資料）2155~2550 1665~1815——/300℃（試驗數據）1810 1600 12.0 36.0 51.5 350℃（試驗數據）1460 1200 14.4 45.2 46.0 850℃（文獻資料）63—73.0 79.4 /

3 分析與討論

3.1 材質分析

從對故障件的軸承進行材質分析，軸承內外套圈及滾子材質正常。

3.2 軸承失效模式與過程

根據對軸承的分析，軸承外套圈均勻磨削成2段，內套圈約2/3磨損嚴重，通過復原，7粒滾子最后卡滯階段已堆積在內套圈2/3磨損嚴重部位，證明軸承最后出現了嚴重的超溫卡滯現象，且保持架已分解失效；保持架完全分解消失后由于受力等因素7粒滾子將堆積在一起，同時出現卡滯，說明1/3圓周軸承內套圈的磨損在保持架未完全分解消失前就已經產生，內套圈1/3圓周跑道面可見粘著現象，并且靠近螺母一端較靠近葉輪一端嚴重，在靠近螺母一端的擋邊可見較明顯的金屬擠出現象，說明軸承在出現嚴重超溫卡滯、保持架分解消失前即已出現了一定程度的超溫軟化現象，且存在軸向力；軸承保持架為酚醛膠布管，根據同批次軸承保持架分解溫度試驗情況表明，保持架失效是一個隨著溫度的上升而逐漸分解失效的過程，其明顯的質量損失溫度即分解失效溫度為341℃，而通過另外的驗證性試驗表明，GCr15在350℃時其強度為1460MPa，只相當于室溫的62%左右（相當于HRC46），已明顯軟化。

以上情況說明軸承在保持架分解消失前的磨損階段存在一個逐漸溫升的過程，溫升會導致軸承出現粘著、軟化、保持架分解等現象，從1/3內套圈磨損情況，可以排除磨粒磨損或接觸疲勞導致最終導致粘著卡滯而引起的溫升現象，分析認為溫升主要是軸承潤滑失效造成的。

3.3 肇事件的判斷

從以上軸承失效的分析可知，軸承磨損過程中出現溫升，溫升最終導致軸承最終出現超溫卡滯，其損傷是一個時間累積的過程。

根據對相關損傷件的外觀及斷口的觀察，及鼓風機傳動軸與鼓風機葉輪、軸承等的配合關系、鼓風機傳動軸（主動）與軸承（被動）的主被動關系、軸承及相關件的受力情況以及表面損傷情況等，確認軸承嚴重磨損失效在先，其余相關件均為軸承嚴重磨損失效卡滯后出現的二次損傷。

4 結論

4.1某發動機軸承外套圈及內套圈材質正常；

4.2某發動機軸承失效是由于潤滑失效導致的；

4.3某發動機軸承失效過程是軸承失效使之在工作中磨損并出現溫升→溫升逐步導致軸承粘著、軟化擠出→當溫度升到一定程度保持架逐漸分解失效→7粒滾子堆積卡滯→2/3軸承內套圈嚴重磨損，外套圈嚴重磨損。

郭占兵（1982— ），男，漢族，河南漯河人，碩士研究生，主要從事物理冶金及失效分析工作。