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某发动机轴承失效分析

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郭占兵 杨志

(中国南方航空工业集团有限公司工程技术部)

  【摘 要】本文对某发动机轴承及相关故障件进行了宏观、微观的分析,通过分析认为该发动机轴承失效是由于润滑失效导致,鼓风机传动轴、鼓风机进气段等相关故障件是由于轴承润滑失效后导致轴承严重磨损失效卡滞所致。

  【关键词】轴承;润滑失效;鼓风机;磨损

  1 概述

  某发动机在使用后检查,发现鼓风机进风段组件(安装座)后锥体壳体裂开,拆下鼓风机后,发现鼓风机轴断裂,鼓风机轴承失效。至故障时发动机累计工作34小时18分。该发动机鼓风机组件通过附件传动机匣花键带动鼓风机转子转动,轴承座安装在鼓风机出口段上支撑鼓风机转子。轴承内、外套圈材料牌号为ZGCr15,滚子的材料牌号为Si3N4,保持架材料为酚醛胶布管,轴承采用润滑脂润滑。

  2 试验结果

  2.1外观

  轴承磨损严重,轴承外套圈已被完全从跑道面磨断成两个部分,一部分掉落,掉落的外套圈已严重变形,表面粗糙不平,粘着现象严重,已观察不到外套圈原有的形貌,另一部分粘结在轴承座上,已经很难分辨,见图1、图2。


  轴承内套圈固定在鼓风机传动轴上,约1/3跑道面基本保持原有内套圈形貌,其跑道面可见粘着现象,并且靠近螺母一端较靠近叶轮一端严重,跑道面靠近螺母一端挡边位置还可见较明显的金属挤出现象;内套圈其余2/3磨损严重,并且粘结大量金属以及出现严重的金属碾压、挤出现象;严重磨损部位残存有7粒滚子挤压后形成的轮廓痕迹,即7粒滚子在保持架失效散开或分解之后堆挤在内套圈这个磨损的位置,与内套圈基本无相对运动,见图3,图4。滚子轴承共有7粒滚子,经外观及电镜观察,滚子完整,无磨损现象,表面粘附着大量的轴承内外套圈及相关的故障件材料。


  2.2高倍检查

  轴承外套圈几乎所有表面均粘附有一层铝合金,心部组织为珠光体,局部碳化物溶解,见图5,说明温度超过其材料的AC3(838℃),但小于熔化温度(1395~1403℃),且冷却较慢,即轴承损坏后已缺润滑条件,同时由于高温使得铝合金碎块熔化。

  2.3成分分析

  经化学定量分析,轴承内外套圈成分符合相关技术条件要求。

  2.4硬度检查

  外套圈:端面HRC59.8,跑道面HRC61.6;内套圈:端面HRC58.8;滚子:HV0.11400-1600

  2.5保持架分解温度检查

  经差热分析仪测定:质量明显损失起始点:341.27℃,终止点:387.35℃。

  2.6GCr15材料高温拉伸性能

  不考虑较长时间回火性能下降的影响,直接进行高拉试验,达到保持架明显分解温度时(350℃左右)其强度水平只相当于室温的62%左右(相当于HRC46),已明显软化。


  3 分析与讨论

  3.1材质分析

  从对故障件的轴承进行材质分析,轴承内外套圈及滚子材质正常。

3.2轴承失效模式与过程

  根据对轴承的分析,轴承外套圈均匀磨削成2段,内套圈约2/3磨损严重,通过复原,7粒滚子最后卡滞阶段已堆积在内套圈2/3磨损严重部位,证明轴承最后出现了严重的超温卡滞现象,且保持架已分解失效;保持架完全分解消失后由于受力等因素7粒滚子将堆积在一起,同时出现卡滞,说明1/3圆周轴承内套圈的磨损在保持架未完全分解消失前就已经产生,内套圈1/3圆周跑道面可见粘着现象,并且靠近螺母一端较靠近叶轮一端严重,在靠近螺母一端的挡边可见较明显的金属挤出现象,说明轴承在出现严重超温卡滞、保持架分解消失前即已出现了一定程度的超温软化现象,且存在轴向力;轴承保持架为酚醛胶布管,根据同批次轴承保持架分解温度试验情况表明,保持架失效是一个随着温度的上升而逐渐分解失效的过程,其明显的质量损失温度即分解失效温度为341℃,而通过另外的验证性试验表明,GCr15在350℃时其强度为1460MPa,只相当于室温的62%左右(相当于HRC46),已明显软化。

  以上情况说明轴承在保持架分解消失前的磨损阶段存在一个逐渐温升的过程,温升会导致轴承出现粘着、软化、保持架分解等现象,从1/3内套圈磨损情况,可以排除磨粒磨损或接触疲劳导致最终导致粘着卡滞而引起的温升现象,分析认为温升主要是轴承润滑失效造成的。

  3.3肇事件的判断

  从以上轴承失效的分析可知,轴承磨损过程中出现温升,温升最终导致轴承最终出现超温卡滞,其损伤是一个时间累积的过程。

  根据对相关损伤件的外观及断口的观察,及鼓风机传动轴与鼓风机叶轮、轴承等的配合关系、鼓风机传动轴(主动)与轴承(被动)的主被动关系、轴承及相关件的受力情况以及表面损伤情况等,确认轴承严重磨损失效在先,其余相关件均为轴承严重磨损失效卡滞后出现的二次损伤。

  4 结论

  4.1某发动机轴承外套圈及内套圈材质正常;

  4.2某发动机轴承失效是由于润滑失效导致的;

  4.3某发动机轴承失效过程是轴承失效使之在工作中磨损并出现温升→温升逐步导致轴承粘着、软化挤出→当温度升到一定程度保持架逐渐分解失效→7粒滚子堆积卡滞→2/3轴承内套圈严重磨损,外套圈严重磨损。

来源:《山东工业技术》2014年第11期