軸承滾子端面異常磨損原因分析

2014-07-21 09:31:32滿維偉邱軍鵬郭暉林碧華

軸承 2014年10期

滿維偉，邱軍鵬，郭暉，林碧華

(中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲 412002)

航空渦輪軸發動機燃氣渦輪支點軸承是發動機燃氣發生器轉子的關鍵零件之一，一旦失效，可能會導致燃氣發生器轉子篦齒密封磨損、轉子葉片與靜子刮磨等問題，后果不堪設想。

某型航空渦輪軸發動機進行持久試車后分解檢查時發現，發動機燃氣渦輪支點軸承滾子端面出現異常磨損。失效軸承為圓柱滾子軸承，外圈帶雙擋邊，外滾道為三瓣波形，外圈間隙配合安裝在彈性支承座內，外圈與彈性支承座之間有一定厚度的擠壓油膜，靠外圈止動凸臺防止外圈旋轉；內圈無擋邊，過盈安裝在渦輪軸上，用于轉子自由端支承。軸承內外圈、滾子材料均為8Cr4Mo4V，保持架材料為40CrNiMoA，表面鍍銀。軸承dmn值為2.4×106mm·r/min，軸承設計工作溫度為150～300 ℃，徑向游隙為1～5 μm。下文通過對失效軸承滾子形貌、金相組織及硬度等進行檢查，分析了滾子端面異常磨損的性質和原因，提出了相應的改進措施并通過了試驗驗證。

1 故障特征

1.1 宏觀形貌

失效軸承滾子端面外觀如圖1所示。可以看出，滾子一端面剝落嚴重；另一端面無壓痕，但磨損嚴重，兩端面呈正反相對的C形剝落帶和磨損帶，即分布在滾子對角部位。在體視顯微鏡下對失效滾子對應的保持架兜孔進行檢查，發現兜孔側梁與滾子接觸部位存在明顯凹坑(圖2)。外圈擋邊最大損傷處可見明顯的剝落損傷，呈麻點狀(圖3)，未見腐蝕痕跡。

圖1 失效滾子兩端面的外觀形貌

圖2 失效滾子對應的保持架兜孔外觀

圖3 外圈擋邊形貌

1.2 微觀形貌

采用掃描電鏡對失效滾子和外圈的損傷部位進行觀察和分析。失效滾子一側端面可見壓痕(圖4a)，并可見成片的剝落(圖4b)。另一側端面磨損較重，邊緣局部可見如圖5所示的剝落坑。軸承外圈擋邊麻點狀損傷區域微觀可見密集分布的片狀剝落坑(圖6)。

圖4 失效滾子一側端面的壓痕及疲勞剝落形貌

圖5 失效滾子另一端面的疲勞剝落形貌

圖6 外圈擋邊疲勞剝落形貌

1.3 熱處理質量檢查

按照JB/T 2850—2007標準對失效滾子進行了硬度和金相組織檢查，結果表明熱處理質量無異常。

2 結果分析

根據失效軸承零件的微觀形貌可以確定滾子端面出現了因磨損造成的表面起源型疲勞。

引起滾子疲勞磨損的應力主要源于滾子與外圈擋邊的不正常接觸。理想情況下，在滾子與保持架側梁及外圈擋邊之間會形成一定厚度的油膜，使滾子能夠正常平穩地運行[1]。而從此次滾子失效情況可以看出，滾子與保持架側梁和外圈擋邊出現了不正常接觸，引起滾子歪斜[2]，端面嚴重磨損，同時導致套圈擋邊和保持架產生磨損。圖7a所示為滾子與保持架的正常工作狀態，圖7b所示為滾子歪斜時的工作狀態。

圖7 滾子與保持架工作狀態示意圖

引起滾子歪斜主要原因有：(1)安裝不當或軸受載彎曲引起的不對中以及滾子不平衡引起的旋轉歪斜[3]；(2)滾子與保持架引導擋邊、滾子端面與兜孔在垂直于滾動方向、滾子直徑方向與兜孔圓周方向的間隙選取不當[2]。通過對失效軸承進行觀察發現，滾子兩端面存在不對稱的O形標記，同批次新滾子倒角跳動為0.074～0.079 mm，進一步觀察發現對于φ7 mm×7 mm滾子，兜孔采用正方孔，與高速圓柱滾子通常采用的長方孔存在一定差異。正是由于這些原因導致滾子動不平衡量增大，使滾子產生傾覆力矩，進而導致滾子歪斜。而滾子與兜孔間隙選取不合理，會加劇滾子歪斜產生的影響。另一方面，由于失效軸承外圈采用三瓣波波形滾道(圖8)，其不規則滾道形式雖能防止軸承出現輕載打滑，但工作中三瓣波頂點會成為軸承的強迫激振源[2]，該振動加劇了滾子的失效。