軸承滾子端面異常磨損原因分析

滿維偉，邱軍鵬，郭暉，林碧華

(中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪支點(diǎn)軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵零件之一，一旦失效，可能會(huì)導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子篦齒密封磨損、轉(zhuǎn)子葉片與靜子刮磨等問題，后果不堪設(shè)想。

某型航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行持久試車后分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪支點(diǎn)軸承滾子端面出現(xiàn)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(nèi)，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(dòng)凸臺(tái)防止外圈旋轉(zhuǎn)；內(nèi)圈無擋邊，過盈安裝在渦輪軸上，用于轉(zhuǎn)子自由端支承。軸承內(nèi)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(shè)計(jì)工作溫度為150～300 ℃，徑向游隙為1～5 μm。下文通過對(duì)失效軸承滾子形貌、金相組織及硬度等進(jìn)行檢查，分析了滾子端面異常磨損的性質(zhì)和原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施并通過了試驗(yàn)驗(yàn)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(yán)重；另一端面無壓痕，但磨損嚴(yán)重，兩端面呈正反相對(duì)的C形剝落帶和磨損帶，即分布在滾子對(duì)角部位。在體視顯微鏡下對(duì)失效滾子對(duì)應(yīng)的保持架兜孔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)兜孔側(cè)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(diǎn)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(duì)應(yīng)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(duì)失效滾子和外圈的損傷部位進(jìn)行觀察和分析。失效滾子一側(cè)端面可見壓痕(圖4a)，并可見成片的剝落(圖4b)。另一側(cè)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(diǎn)狀損傷區(qū)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(cè)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(zhì)量檢查

按照J(rèn)B/T 2850—2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效滾子進(jìn)行了硬度和金相組織檢查，結(jié)果表明熱處理質(zhì)量無異常。

2 結(jié)果分析

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

引起滾子疲勞磨損的應(yīng)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(cè)梁及外圈擋邊之間會(huì)形成一定厚度的油膜，使?jié)L子能夠正常平穩(wěn)地運(yùn)行[1]。而從此次滾子失效情況可以看出，滾子與保持架側(cè)梁和外圈擋邊出現(xiàn)了不正常接觸，引起滾子歪斜[2]，端面嚴(yán)重磨損，同時(shí)導(dǎo)致套圈擋邊和保持架產(chǎn)生磨損。圖7a所示為滾子與保持架的正常工作狀態(tài)，圖7b所示為滾子歪斜時(shí)的工作狀態(tài)。

圖7 滾子與保持架工作狀態(tài)示意圖

引起滾子歪斜主要原因有：(1)安裝不當(dāng)或軸受載彎曲引起的不對(duì)中以及滾子不平衡引起的旋轉(zhuǎn)歪斜[3]；(2)滾子與保持架引導(dǎo)擋邊、滾子端面與兜孔在垂直于滾動(dòng)方向、滾子直徑方向與兜孔圓周方向的間隙選取不當(dāng)[2]。通過對(duì)失效軸承進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，滾子兩端面存在不對(duì)稱的O形標(biāo)記，同批次新滾子倒角跳動(dòng)為0.074～0.079 mm，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)對(duì)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?qū)е聺L子動(dòng)不平衡量增大，使?jié)L子產(chǎn)生傾覆力矩，進(jìn)而導(dǎo)致滾子歪斜。而滾子與兜孔間隙選取不合理，會(huì)加劇滾子歪斜產(chǎn)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(guī)則滾道形式雖能防止軸承出現(xiàn)輕載打滑，但工作中三瓣波頂點(diǎn)會(huì)成為軸承的強(qiáng)迫激振源[2]，該振動(dòng)加劇了滾子的失效。

圖8 三瓣波波形滾道示意圖

3 改進(jìn)措施

針對(duì)上述失效原因采取了以下改進(jìn)措施：

(1)取消滾子端面O形標(biāo)記；

(2)將滾子倒角跳動(dòng)要求提高至0.005 mm；

(3)將保持架兜孔形式改為長方孔，增加保持架動(dòng)平衡要求(不大于3 g·mm)；

(4)設(shè)計(jì)采用圖9所示的M形保持架，增加保持架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖9 M形保持架示意圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，在部件試驗(yàn)器上對(duì)改進(jìn)后的軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)，并將最終改進(jìn)的軸承安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行TBO試車，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 采取不同改進(jìn)措施后的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可見，取消滾子端面O形標(biāo)記，將滾子倒角跳動(dòng)要求提高至0.005 mm，雖然減小了滾子的動(dòng)不平衡量，但在一定條件下并不能完全解決滾子歪斜問題；將保持架兜孔形式改為長方孔并采用M形保持架，增加了保持架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效改善了滾子歪斜問題，使該型軸承最終通過了發(fā)動(dòng)機(jī)TBO試車考核。

5 結(jié)束語

從分析結(jié)果可知,軸承的失效主要是由于滾子歪斜導(dǎo)致滾子端面疲勞磨損。

雖然通過4項(xiàng)改進(jìn)措施，使該型軸承最終通過試驗(yàn)考核，但諸如滾子與引導(dǎo)擋邊間隙、三瓣波波形滾道等是否對(duì)滾子歪斜產(chǎn)生不利影響等問題，還有待進(jìn)一步探討。