航空發(fā)動機主軸承保持架斷裂故障分析

梁存良，王德偉，鞏孟祥，可成河

（1.沈陽黎明航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043；2.駐沈陽黎明發(fā)動機制造公司軍事代表室，沈陽 110043）

主軸承是航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其性能質(zhì)量是影響發(fā)動機壽命和可靠性的重要因素，若飛行過程中主軸承出現(xiàn)失效故障，后果不堪設(shè)想［1］。軸承故障種類繁多，其中保持架開裂、斷裂較為常見，且危害性巨大。軸承失效的影響因素復(fù)雜，由于工作條件和失效因素的差異，產(chǎn)生的失效形式和形貌各不相同，因此，對發(fā)動機主軸承的失效分析具有非常重要的意義。

1 故障特征

航空發(fā)動機工廠試車過程中振動超上限，停車后高壓轉(zhuǎn)子抱轉(zhuǎn)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，金屬屑末信號器濾網(wǎng)和潤滑油濾網(wǎng)附著有少量金屬屑。進(jìn)一步分析金屬屑末成分，確認(rèn)為軸承保持架材料。發(fā)動機分解檢查后，發(fā)現(xiàn)主軸承保持架斷裂，總工作時間不足2 h。

故障軸承D1002926K1NQ1U為外圈無擋邊的圓柱滾子軸承，套圈和滾子材料為Cr4Mo4V，保持架材料為硅青銅QSi3.5-3-1.5，表面采用變極脈沖鍍銀，采用環(huán)下供油潤滑方式。復(fù)查試驗機試驗和歷次裝機記錄，未出現(xiàn)保持架斷裂記錄。

2 故障檢查

2.1 宏觀檢查

軸承套圈和30個滾子表面完好，顏色正常。

保持架其中一個兜孔的2個轉(zhuǎn)角處發(fā)生斷裂，將其編為30＃；從打字面朝上的方向觀察，按順時針方向依次將兜孔編號1＃～29＃，如圖1所示。熒光檢查發(fā)現(xiàn)，幾乎所有兜孔的轉(zhuǎn)角都存在大小不一的裂紋。

圖1 保持架外觀Fig.1 Appearance of cage

將30＃兜孔非打字側(cè)的斷口編為30-1＃，打字側(cè)的斷口編為30-2＃。30-1＃斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，裂紋從側(cè)梁內(nèi)表面（與滾子端面的接觸面）轉(zhuǎn)角處起源，呈線源特征；斷口分為Ⅰ區(qū)（靠外徑側(cè)）和Ⅱ區(qū)（靠內(nèi)徑側(cè)），2個區(qū)域的裂紋擴(kuò)展交匯形成臺階。

圖2 30-1＃斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture 30-1＃

30＃兜孔橫梁內(nèi)表面（與滾子工作面的接觸面）接觸痕跡的宏觀形貌如圖3所示。由圖可知，接觸痕跡較重，寬約2.6 mm，且明顯存在3處邊界：邊界3位于靠近鎖點側(cè)（外側(cè)），向里依次為邊界2和邊界1。

圖3 30＃兜孔橫梁內(nèi)表面接觸痕跡宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of contact trace on beam inner surface of pocket30＃

由宏觀觀察結(jié)果可知，保持架除了一個兜孔轉(zhuǎn)角處發(fā)生斷裂，其他兜孔的4個轉(zhuǎn)角處均存在裂紋；橫梁內(nèi)表面存在較重的接觸痕跡；套圈和滾子表面完好，顏色正常。

2.2 微觀檢查

將兜孔裂紋斷口用丙酮超聲波清洗后放入掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察。

30-1＃斷口微觀全貌如圖4a所示，Ⅰ區(qū)可見由側(cè)梁內(nèi)表面起始的放射棱線（圖4b），即裂紋從內(nèi)表面起始，源區(qū)高倍下呈類解理形貌（圖4c）；Ⅱ區(qū)源區(qū)低倍形貌如圖4d所示，裂紋從內(nèi)表面起始，源區(qū)存在明顯，高倍下呈摩擦形貌（圖4e）；Ⅰ區(qū)擴(kuò)展中、后期的疲勞條帶形貌分別如圖4f和圖4g所示，Ⅱ區(qū)擴(kuò)展后的疲勞條帶形貌如圖4h所示，由圖可知，該斷口疲勞擴(kuò)展充分，未見明顯瞬斷區(qū)。

圖4 30-1＃斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fracture 30-1＃

30-2＃斷口和隨機選擇的26＃兜孔轉(zhuǎn)角裂紋的微觀檢查結(jié)果類似于30-1＃斷口。

2.3 尺寸檢測

2.3.1 軸承尺寸和形狀精度

為分析故障原因，對故障軸承套圈和滾子（配新保持架）的尺寸、精度及游隙進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。由表可知，各項指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成品精度檢測結(jié)果Tab.1 Test results of finished product precision μm

2.3.2 兜孔表面粗糙度

任意選取2個兜孔測量表面粗糙度Ra，測量值在0.604～0.705μm之間。因此，兜孔側(cè)梁表面及轉(zhuǎn)角表面的粗糙度Ra未超出設(shè)計要求（Ra＜1.25μm）。

2.4 金相檢查

從保持架3個相鄰兜孔切取金相試樣8 mm×10 mm×4 mm，磨制拋光后測量兜孔轉(zhuǎn)角R，R在0.203～0.279 mm之間，因此轉(zhuǎn)角略小于設(shè)計要求（0.3～0.5 mm）。

將金相試樣浸蝕后觀察其金相組織，3個兜孔的金相組織未見明顯差異，組織正常。

3 故障分析

從上述檢查可知，軸承保持架斷口和裂紋微觀可見疲勞條帶形貌，其斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；熒光檢查發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的轉(zhuǎn)角都存在大小不一的裂紋。由此可知，保持架在運轉(zhuǎn)過程中存在異常振動的現(xiàn)象。由于保持架的異常振動，滾子對圓周方向兩側(cè)的橫梁均存在較大的撞擊力，這點由橫梁表面較重的接觸痕跡（圖3）可以證實。該接觸痕跡分成2部分：一部分是初始痕跡，寬約1.8 mm，相對于其他使用時間更長的軸承，該痕跡較寬，說明滾子施加在兜孔橫梁上的撞擊力更大；另一部分（邊界1與邊界2之間）是保持架斷裂后形成的，由于保持架向外徑側(cè)張開，痕跡沿保持架內(nèi)徑方向發(fā)生了竄動。

保持架發(fā)生異常振動通常與以下幾方面因素有關(guān)：

1）軸承設(shè)計不合理，使得工作過程中振動較大，甚至發(fā)生共振，使保持架發(fā)生疲勞失效，但該軸承已大量使用，在試車過程中首次發(fā)生保持架斷裂失效，因此軸承設(shè)計不合理導(dǎo)致異常振動的可能性可以排除。

2）軸承其他部件失效，如套圈滾道剝落、滾子剝落或磨損等，造成軸承運轉(zhuǎn)失穩(wěn)，使得振動增大，從而導(dǎo)致保持架疲勞斷裂。由于該軸承套圈、滾子未見明顯損傷，因此，這種可能性可以排除。

3）軸承尺寸精度及游隙超差。若軸承尺寸精度及游隙超出設(shè)計要求，則可能造成滾子運轉(zhuǎn)異常，進(jìn)而造成保持架振動異常。但從軸承出廠合格證和故障后尺寸測量可知，軸承尺寸精度及游隙均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍，因此軸承尺寸精度及游隙超差也可以排除。

4）保持架受激振動［3-4］。保持架異常振動可能與系統(tǒng)存在較大振動有關(guān)。經(jīng)復(fù)查試車記錄，該臺發(fā)動機試車過程中出現(xiàn)不正當(dāng)操作：由于轉(zhuǎn)速不夠，試車工人短時期內(nèi)反復(fù)推動拉桿，加力20多次，導(dǎo)致零件受到異常振動。

另外，測得保持架兜孔側(cè)梁及轉(zhuǎn)角的表面粗糙度Ra未超出設(shè)計要求；保持架的金相組織正常。兜孔轉(zhuǎn)角R略小于設(shè)計要求，使得應(yīng)力集中增大，對保持架發(fā)生疲勞斷裂有一定影響。

綜上所述，保持架的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，兜孔轉(zhuǎn)角處的裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋；保持架發(fā)生疲勞斷裂主要與異常振動有關(guān)，兜孔轉(zhuǎn)角R尺寸偏小也有一定影響；保持架受到異常振動與試車時不正常操作有關(guān)。

4 故障機理及預(yù)防措施

4.1 故障機理

引起軸承零件斷裂和開裂的原因是零件的實際載荷（或至少在局部區(qū)域）超過其強度極限，但也可能與其他因素（如過熱、磨損和片狀剝落）有關(guān)［1］。文中軸承保持架斷裂故障就是由發(fā)動機異常振動引起的。

航空發(fā)動機在試車過程中，因轉(zhuǎn)速不夠，試車工人短時期內(nèi)反復(fù)推動拉桿，導(dǎo)致發(fā)動機振動值異常，再加上保持架兜孔轉(zhuǎn)角R略小于設(shè)計要求，使得應(yīng)力集中增大，造成保持架發(fā)生疲勞斷裂。

4.2 預(yù)防措施

加強保持架外觀檢查，必要時對兜孔轉(zhuǎn)角R尺寸做進(jìn)一步檢測；對試車工人的操作進(jìn)行規(guī)范管理并制定應(yīng)急預(yù)案，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施。