多種分析方法在軸承故障上的應用

魯洪賓

摘 要：通過借用多種分析方法對損壞軸承進行故障分析，確定軸承損壞的機理，為后續措施制定及軸承設計提供數據基礎。

關鍵詞：損壞軸承；機理；軸承設計；數據基礎

1 引言

軸承作為航空武器裝配上的重要基礎件，當發生故障時嚴重影響航空武器裝備的使用安全性。由于軸承在系統內部，孔探等手段很難將損壞的情況全部探測出來，只能通過分解進行觀察，往往軸承發生故障很難在第一時間反映出來，繼續工作一段時間后故障件損壞更加嚴重，給排查工作增加很多困難，只能通過多種分析方法共同使用，查找故障原因。本文通過介紹在型號上實際發生軸承故障時采用的多種分析方法，為今后故障排查、措施制定及軸承設計提供基礎數據。

2 軸承損害形式及產生的影響

2.1 軸承損害形式

球軸承保持架鉚釘斷裂、保持架斷裂、內外圈滾道剝落，滾珠有不同程度的碾壓損傷。

2.2 對產品的影響

軸承損壞產生大量金屬屑，導致產品回油系統堵塞，回油不暢、內部溫度上升，導致密封失效，滑油大量泄漏、壓力降低，致使產品高溫變色失效。

3 多種分析方法的應用

由于軸承安裝在系統內部，發生故障后不能立即反饋出來，故障后會工作一段時間，然而，工作一段時間后故障初始跡象往往被覆蓋，這對分析故障阻礙很大，因此需借助很多分析手段。

3.1 理論分析計算

根據軸承、軸、座材料參數，軸承工況、配合、溫度參數的邊界條件，使用COBRA軟件分析正常軸承在給定工況下的應力與壽命，看是否滿足設計要求。

3.2 有限元分析

軸承的保持架斷裂，主要懷疑振動因素，因此采用有限元的方法分析保持架的振動情況，看是否存在共振情況。

該軸承保持架10個兜孔組成，兩片半實體保持架由鉚釘連接，保持架材料為QA10-3-1.5，依此建模，計算了保持架固有頻率，見表1。

從計算結果看，低階振型不存在共振情況。

3.3 理化分析

3.3.1 軸承部件宏微觀觀察

對軸承主要部件進行宏微觀觀察，軸承部件包括外圈、內圈、保持架、鉚釘和滾珠。通過宏微觀觀察可以確定損壞的形式，以保持架、鉚釘斷口為例闡述宏微觀觀察所起的作用。

（1）保持架

對保持架碎塊進行體視鏡宏觀觀察，在保持架兜孔側梁還發現多條平行裂紋。斷口起源于兜孔與外圓交角、兜孔與內圓交角；擴展區可見疲勞弧線和大量細密的疲勞條帶，裂紋沿斜對角方向擴展，裂紋已擴展至端面，瞬斷區為韌窩特征。

（2）鉚釘

對鉚釘頭斷口進行觀察，發現擴展棱線的匯聚方向可判斷鉚釘起源于圓周方向一圈表面，源區處磨損較嚴重，裂紋往鉚釘徑向方向擴展，擴展深度約占鉚釘半徑的1/2，擴展區可見大量的疲勞條帶，中部為瞬斷區韌窩特征。

3.3.2 軸承部件金相檢查

金相檢查觀察零件金相組織，通過金相組織的實際情況，推斷造成組織變化的原因。以保持架、滾球為例闡述金相觀察所起的作用。

（1）保持架

沿保持架縱向截取金相試樣，磨制拋光腐蝕后進行金相檢查，保持架金相組織均勻。

（2）滾珠

將9#滾珠和10#滾珠中剖，制取金相試樣，磨制拋光腐蝕后進行金相檢查。9#滾珠表面可見一周的摩擦二次淬火燒傷層，燒傷深度約為0.2mm，且過渡處可見明顯的晶界形貌。10#滾珠表面未見燒傷層，表面為剝落坑形成的小裂紋，且近表層和心部金相組織未見明顯異常。

3.3.3 軸承部件硬度檢查

硬度檢查主要是復查硬度值是否滿足設計要求的手段，已保持架和滾珠硬度檢測為例進行闡述。

（1）保持架硬度檢測

保持架硬度測試結果見表2，由表中結果可知，保持架硬度平均值為HV175.82，由于維氏硬度與布氏硬度轉換的數值基本相當，可判斷保持架硬度符合技術要求。

（2）滾珠硬度檢測

滾珠硬度測試結果，9#滾珠近表層燒傷區硬度平均值為HRC59.13，低于技術要求（滾珠：HRC62～65），心部硬度為HRC65.18，略大于技術要求；較小的10#滾珠近表層和心部硬度均較均勻，平均值分別為HRC62.76和HRC62.68，符合技術要求。

3.3.4 理化分析結論

通過對軸承各故障件宏微觀觀察、金相組織和硬度測試，分析結果匯總如下：

（1）軸承外圈半圈可見剝落特征，其中約1/6圈剝落較嚴重，滾道處未見燒傷痕跡，另外稍小于1/3區域呈分散剝落形貌，且分散間隔區域約為20°；軸承外圈整個滾道均存在滾珠對滾道的擠壓磨損痕跡，并不僅僅是靠推力側（刻字面側）存在磨損，表明滾珠在滾道中出現了軸向不平穩運轉沖擊接觸；另外整圈滾道刻字面和非刻字面擋邊均可見從滾道內向擋邊的沖擊擠壓金屬堆積特征，只是靠近刻字側堆積更重，也表明滾珠在滾道中出現了不平穩運轉沖擊接觸；滾道軸承外圈可見振紋痕跡；

（2）內圈表面滾道已磨損變色，整圈滾道均可見接觸磨損痕跡，滾道金屬堆積于滾道兩側擋邊處，其中靠刻字側堆積更重，與外圈損傷形貌對應，表明滾珠在滾道中出現了軸向不平穩運轉沖擊接觸。金相結果顯示滾道中部靠刻字側可見兩處月牙形燒傷痕跡。在滾道表面可見20處鋼球與滾道表面撞擊的痕跡；

（3）收集的10粒滾珠中，9粒滾珠形貌相似，表面可見劇烈擦傷痕跡，表層可見燒傷形貌，且直徑尺寸范圍為11.6mm～11.8mm；另外1粒滾珠較小，表面圓滑，發黃，尺寸僅為10.93mm，較技術要求小約1mm，該滾珠表面未見燒傷痕跡，表層和心部組織和硬度均未見異常；分析認為10#滾珠本身尺寸可能較小。

（4）保持架和鉚釘分別發現4處和3處疲勞斷口，其中保持架裂紋起源與兜孔與內環交角上，沿斜對角方向擴展，各斷口的疲勞擴展方式、擴展深度相似；鉚釘均斷裂于鉚釘頭處，呈圓周起源，徑向朝鉚釘心部擴展，擴展深度約占鉚釘半徑的1/2，各鉚釘的斷裂方式和擴展深度相似。

4 結束語

在軸承發生故障時，往往需要應用多種分析方法相結合的方式進行分析，各分析方法針對特定的影響因素進行分析，主要就是查明該因素是否導致故障，有時各分析方法之間也有相互驗證的作用。