某航空電機脂潤滑軸承失效分析與改進措施

陳 彬 徐 俊 張 劍 郭 帥 姜艷紅

(中浙高鐵軸承有限公司 浙江衢州 324000)

在航空領(lǐng)域，密封軸承多用于飛機傳動、飛機附件以及飛機機體部分。在航空電機中兩端軸承主要起支撐、傳動載荷的作用，其均采用脂潤滑密封軸承[1]。軸承發(fā)生故障將直接影響電機運行，嚴(yán)重時會造成電機停機斷電，導(dǎo)致機毀人亡的重大事故[2]。

滾動軸承的失效受軸承自身材料、加工、應(yīng)用等多因素的影響[3-6]，另外某些異常情況有時也會導(dǎo)致軸承發(fā)生早期損壞[7-8]。對于脂潤滑密封軸承，潤滑脂的性能直接關(guān)系到軸承的使用壽命[9-10]，潤滑失效是導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的重要原因之一[11-13]。

某型航空電機脂潤滑密封軸承隨試驗器試驗時發(fā)生了失效，本文作者通過分析確定了失效原因并提出針對性的改進措施，為同類型軸承的設(shè)計改進提供方向。

1 故障特征

2019年6月，某航空電機6306-2RS/HN P5軸承隨試驗器完成1 000 h試驗后，例行檢查時發(fā)現(xiàn)四套軸承運轉(zhuǎn)卡滯。失效的軸承為兩面帶密封圈的脂潤滑深溝球軸承，其由內(nèi)圈、外圈、鋼球、保持架和密封組件組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)

軸承套圈材料為Cronidur30高氮不銹鋼，鋼球材料為G95Cr18不銹軸承鋼，保持架材料為聚醚醚酮(PEEK)，密封組件材料為聚四氟乙烯(PTFE)與06Cr17Ni12Mo2鋼板，內(nèi)部裝填Mobilgrease 28潤滑脂(整體呈現(xiàn)紅褐色)，填脂量為軸承內(nèi)部空間的30%。試驗徑向載荷為457 N，試驗轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。

2 失效軸承檢測與分析

2.1 宏觀形貌

失效軸承外觀光潔，整體外觀無異常。拆下軸承兩面密封圈后，軸承內(nèi)含有一定量的潤滑脂，部分潤滑脂已發(fā)黑變硬。對軸承拆套清洗后檢查發(fā)現(xiàn)，外圈滾道工作痕跡正常，未見明顯疲勞剝落、高溫變色；內(nèi)圈滾道工作痕跡正常，未見明顯疲勞剝落、高溫變色，內(nèi)圈擋邊與密封圈唇口有摩擦痕跡；11粒鋼球表面光潔，鋼球表面均未見明顯疲勞剝落、高溫變色；保持架與密封圈整體完整。通過觀察PTFE密封圈唇片回油線可以看出，唇片與內(nèi)圈擋邊接觸部分已出現(xiàn)磨損，具體見圖2。

圖2 軸承宏觀形貌

2.2 微觀形貌

利用顯微鏡對軸承各零件進行檢查發(fā)現(xiàn)，外圈滾道和內(nèi)圈滾道內(nèi)均有少量點狀壓痕，整體無異常，未見疲勞剝落；鋼球表面有少量點狀壓痕和劃痕，整體無異常，未見疲勞剝落；兩面密封圈的唇口均有磨損現(xiàn)象，見圖3。

圖3 軸承微觀形貌

2.3 材料分析

利用美國熱電ARL iSpark 8860直讀光譜分析儀對軸承進行材料檢測，套圈材料為CRONIDUR30-AMS 5898，鋼球材料為G95Cr18-GB/T 3086，檢測結(jié)果見表1。參照上述標(biāo)準(zhǔn)可判斷化學(xué)成分符合要求。

表1 材料化學(xué)成分

2.4 硬度檢測

利用200HR-150型洛氏硬度計測定軸承套圈的硬度，測試部位為套圈的端面。利用FM-180型顯微維氏硬度計上測量鋼球的硬度，測試部位為鋼球的剖面基體，選3粒鋼球進行測試。套圈硬度檢驗和評定參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZGT J R(X)0006—2020；鋼球硬度檢驗和評定參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1460—2011。軸承零件硬度測定結(jié)果見表2。

表2 軸承零件硬度

由表2可以看出，套圈的硬度符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZGT J R(X)0006—2020的要求(硬度≥58HRC)；鋼球的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1460—2011的要求(硬度≥58HRC)。同一零件硬度差也符合標(biāo)準(zhǔn)的要求(硬度差不大于1HRC)。

2.5 金相組織

軸承套圈(切割取樣)和鋼球的金相檢查在德國徠卡公司產(chǎn)的DMILM LED型金相顯微鏡下進行。套圈的檢驗評定參照Q/ZGT J R(X)0006—2020標(biāo)準(zhǔn)，鋼球的檢驗評定參照JB/T 1460—2011標(biāo)準(zhǔn)。

各零件金相組織檢測結(jié)果如圖4所示。外圈和內(nèi)圈淬、回火組織均為均勻細粒狀組織，符合Q/ZGT J R(X)0006—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼球的淬、回火組織均由馬氏體、一次碳化物、二次碳化物和殘留奧氏體組成，實測級別為3級，符合JB/T 1460—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 金相組織

2.6 清潔度

參考JB/T 7050—2005標(biāo)準(zhǔn)雜質(zhì)分離方法，對潤滑脂中的雜質(zhì)進行了分析；同時參考GB/T 33624—2017標(biāo)準(zhǔn)，對雜質(zhì)含量和較大尺寸顆粒物進行檢測，結(jié)果見表3。根據(jù)表3檢測結(jié)果，軸承內(nèi)的顆粒物為金屬和非金屬，非金屬的數(shù)量遠大于金屬的數(shù)量，雜質(zhì)質(zhì)量超標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)要求雜質(zhì)質(zhì)量≤3 mg)。軸承零件中僅有保持架與密封圈唇片為非金屬材料。如圖5所示，分離出的雜質(zhì)為黑色，而軸承保持架為白色，因此根據(jù)軸承內(nèi)圈和密封圈外觀形貌以及雜質(zhì)顏色，判斷雜質(zhì)為密封圈唇片磨損產(chǎn)生的PTFE顆粒。

表3 雜質(zhì)含量

圖5 非金屬雜質(zhì)

2.7 潤滑脂分析

利用紅外光譜儀對新潤滑脂進行分析[14]，分析結(jié)果見圖6。結(jié)果表明，潤滑脂是由膨潤土稠化劑稠化烴類油構(gòu)成的非皂基油脂，稠化劑和基礎(chǔ)油數(shù)據(jù)庫匹配度分別為83.4%和98.7%。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對潤滑脂進行GC-MS分析，表明潤滑脂中液體的主要成分為含C17～C20結(jié)構(gòu)及更高沸點的烷烴類物質(zhì)。從以上分析結(jié)果可以看出，新潤滑脂符合技術(shù)說明書的要求。

圖6 潤滑脂IR譜線

3 原因分析

結(jié)合上述檢測情況可以判定軸承發(fā)生卡滯的直接原因是潤滑脂變質(zhì)發(fā)黑導(dǎo)致軸承潤滑失效。失效過程為：PTFE密封圈與內(nèi)圈擋邊為過盈配合，經(jīng)過高速運轉(zhuǎn)密封圈磨損產(chǎn)生的磨屑進入軸承內(nèi)部；隨著磨屑顆粒不斷增加，潤滑脂變質(zhì)發(fā)黑導(dǎo)致軸承潤滑失效，最終造成軸承轉(zhuǎn)動卡滯。

4 改進措施與驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，提出如下改進措施。

(1)氟橡膠硬度通常為邵氏硬度50～90A，PTFE硬度通常為55～65D，PTFE硬度遠高于氟橡膠，為防止軸承在高速運轉(zhuǎn)中密封圈接觸唇與內(nèi)圈擋邊產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，密封圈材料由PTFE更換為氟橡膠。

(2)原設(shè)計密封圈接觸唇與內(nèi)圈擋邊過盈量為0.6～0.8 mm，通過軸承外觀形貌可以看出，密封圈接觸唇與內(nèi)圈擋邊產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。為防止磨損以及軸承高溫發(fā)熱，將密封圈與內(nèi)圈擋邊的過盈量控制為0.3 mm(為密封軸承常用的中接觸密封過盈量)。

為驗證分析結(jié)論的正確性以及改進措施的有效性，對4套改進后的軸承在工況條件下進行壽命試驗考核，結(jié)果表明，改進前的軸承基本在1 000 h左右發(fā)生轉(zhuǎn)動卡滯；1套改進后的軸承一次性通過2 000 h壽命試驗考核(應(yīng)客戶要求選擇1套進行拆解檢查)，3套改進后的軸承分階段通過3 000 h壽命試驗考核；試驗過程中軸承穩(wěn)定運行溫度范圍為30～65 ℃，振動略有波動(可能與軸承滾動表面的磨損以及潤滑脂劣化有關(guān))，無其他異常情況出現(xiàn)。

試驗后軸承旋轉(zhuǎn)靈活無阻滯，對軸承進行拆解檢查，軸承零件完好未發(fā)生破壞，滾動表面未發(fā)現(xiàn)剝落或其他形式失效，試驗后潤滑脂黏性保持較好。

5 結(jié)論

針對某航空電機6306-2RS/HN P5軸承的故障分析表明，PTFE密封圈磨損產(chǎn)生的磨屑進入軸承內(nèi)部使?jié)櫥冑|(zhì)發(fā)黑是軸承失效的主要原因，表明高速脂潤滑軸承不宜采用PTFE作為密封圈材料。提出將密封圈材料由聚四氟乙烯更換為硬度較低的氟橡膠，同時降低密封圈接觸唇與內(nèi)圈擋邊過盈量等改進措施，改進后軸承再未出現(xiàn)類似問題，表明措施有效。