桿端關節軸承環形白痕分析

許世鈺

（上海市軸承技術研究所有限公司，上海 201801）

0 引言

關節軸承是一種球面滑動軸承，其接觸表面由內球面和外球面組成[1-2]。該類軸承承載能力大，且有一定的耐沖擊和耐磨性能，因此在航空航天、水利機械和自動化設備等領域得到了廣泛應用[3-4]。其中桿端關節軸承主要應用在直升機的操縱和動力傳遞機構中，變距拉桿帶柄桿端關節軸承是直升機操縱系統的關鍵零件，若失效會帶來嚴重的后果[5]。該軸承常見的失效形式為內、外圈接觸面因摩擦系數增大導致磨損加劇，或者軸承在長期高速擺動狀態下在局部應力集中區域產生裂紋等[6-8]。桿端關節軸承出現裂紋可能會帶來災難性事故，因此分析查找失效原因對保障操縱系統的安全運行具有重要意義。

1 故障件描述

變距拉桿帶柄桿端關節軸承由內外圈、桿端及自潤滑襯墊組成，內圈使用不銹鋼G95Cr18，內圈球面鍍氧化鋁陶瓷（Al2O3），提高了軸承耐磨損能力；外圈、桿體使用沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb；自潤滑襯墊采用FSZ-Z01襯墊，軸承具備自潤滑功能。軸承結構簡圖如圖1所示。

圖1 帶柄軸承結構圖

變距拉桿帶柄桿端關節軸承是直升機機體重要部件的連接支承構件，裝配于飛行操縱系統。變距拉桿軸承安裝在主旋翼變距拉桿的兩端，并與主旋翼變距搖臂和自動傾斜器動環叉耳相連，用來傳遞槳葉到動環的載荷，實現三自由度運動，承受X軸方向載荷，并在載荷作用下繞Z軸擺動。某部隊對直升機進行性能試驗時，檢查后發現黑色變距拉桿上的帶柄桿端關節軸承內圈外球面呈現環形白痕，疑似存在開裂現象，出現此現象前共飛行約600 h，除軸承內圈外球面出現白色環形痕跡外，無其他異常現象。為查明該軸承產生白色環形痕跡的原因，對其進行了外觀檢查、電鏡分析以及能譜分析，最終確定了環形白痕的產生原因，并提出了相應的使用建議。

2 故障分析

2.1 宏觀檢查

變距拉桿帶柄桿端關節軸承在服役600 h左右后出現疑似開裂的環形白痕。經線切割后的內圈外表面環形白痕如圖2所示，經手觸摸，環形白痕表面光滑，沒有凹陷感。

圖2 內圈外表面環形白痕宏觀形貌

圖3 為線切割后的桿端體，可看出除軸承內圈外球面出現白色環形痕跡外，其他零部件均無異常現象，軸承外圈、桿端體及自潤滑襯墊外觀均符合要求。

圖3 桿端體宏觀形貌

2.2 電鏡分析

用掃描電鏡（SEM）觀察環形白痕區域涂層微觀形貌，電鏡分析形貌圖如圖4所示，結果表明，軸承內圈外表面白痕（部分）在電鏡下表現為呈帶狀分布形態的黏附物，未見開裂現象。

圖4 環形白痕（部分）形貌

2.3 能譜分析

選取白色環形白痕區域進行能譜分析，結果如圖5所示。由能譜及相關元素的面掃描結果可知，環形白痕是以Fe為主，含有Cr、Ni、Cu等元素的金屬黏附物形成的，說明環形白痕形成原因不是開裂，而是外界異物在接觸面長期摩擦形成的一種金屬黏附物。

圖5 白痕能譜掃描圖

3 機理分析

根據電鏡分析以及能譜分析結果，從組織結構和桿端關節軸承運轉工況進行分析，關節軸承內、外圈之間接觸副在往復擺動工況下形成循環載荷，由于在局部形成圖6所示的循環應力影響，內圈外表面局部產生微觀的剪切變形。在微觀的剪切變形區域，軸承在承受循環應力工況下，金屬表面出現位錯網絡，在任一方向上出現反復塑性變形，容易形成超微細晶粒組織，晶粒組織變化過程如圖7所示。在超微細晶粒組織的晶界上，可出現位錯及空孔，最終形成微細的孔隙。當外界異物嵌入或沾污軸承內圈外表面時，在長期擺動運轉過程中納米級鐵素體侵入內圈外表面局部微細的孔隙，由于循環載荷的持續不斷，鐵素體和孔隙之間一直處于納米級的“開”和“閉”狀況，導致鐵素體晶粒發生材料轉移，轉移后的材料發生動態再結晶，形成一種金屬黏附物，并且有較強的黏著力，最終使軸承內圈外表面局部產生白色組織。

圖6 循環應力示意圖

圖7 晶粒組織變化過程

4 結束語

桿端關節軸承除內圈外表面出現環形白痕現象外，其他各項性能指標均符合要求；且環形白痕不是開裂現象，而是外界異物進入軸承工作面后，在長期循環載荷作用下摩擦面發生納米級的材料轉移，最終形成的一種以Fe為主，含有Cr、Ni、Cu等元素并具有較強黏著力的金屬黏附物。因此，判斷桿端關節軸承環形白痕形成可能與其運行工況和使用環境有關。為避免同類現象的再次發生，建議定期檢查軸承所受接觸應力情況、工作環境以及使用工況等；同時定期對軸承進行清潔維護，在使用過程中應加強對不銹鋼內表面的保護，以防止工作臺面的異物進入軸承內部沾污內圈不銹鋼外表面。