航空发动机主轴轴承失效模式分析

航空发动机主轴轴承失效模式分析

贾旭

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 辽宁沈阳 110043

摘要：经济的发展推动了航空业的发展，但与此同时，我国航空发动机出现的故障中，轴承失效导致的事故在不断增加。但当前对轴承失效的分析工作，常常以某一套飞行事故发动机轴承的失效研究为主，而因其他原因造成的航空发动机滚动轴承的早期失效模式，受条件制约，未进行系统分类和深一步的研究。航空发动机主轴轴承的主要损伤模式为剥落、微粒损伤、压延印痕、夹杂物损伤、打滑蹭伤、磨损、接触腐蚀、断裂和变色。这些失效模式分类对于滚动轴承的设计、制造工作具有一定的指导意义，但分类后的失效模式缺乏相关失效案例和实验数据，实际现场中此类失效模式可能不太适用，因此采用多种实验手段对轴承失效模式分析就显得极为重要。

关键词：航空发动机；主轴轴承；失效模式

引言

航空发动机主轴钢质轴承的主要失效模式包括疲劳失效，磨损失效，过热，塑性变形以及蹭伤等。航空发动机圆柱滚子轴承常规失效模式主要为滚子轻载打滑及保持架断裂等。而某航空发动机主轴圆柱滚子轴承出现有异于常规失效模式的滚子端面严重磨损的非典型失效模式。目前对航空发动机主轴圆柱滚子轴承失效机理分析一般都采用定性分析，很少从轴承动力学特性进行失效机理定量分析。

1圆柱滚子轴承非典型失效表征

圆柱滚子轴承非典型失效表征主要体现在以下方面：某航空发动机主轴圆柱滚子轴承使用过程中出现的失效模式表现为滚子的端面与工作表面严重磨损，内圈的挡边与滚道表面和保持架的兜孔横梁存在严重的磨损变色。经初步分析，滚子倒角在磨削加工中产生的动不平衡量较大以及内圈挡边轴向游隙超差导致滚子歪斜过大是引起该轴承失效的主要原因。本文从圆柱滚子轴承动力学特性理论方面加以研究此失效机理。

2航空发动机主轴轴承失效模式分析

明确各种失效模式间的转变，首先就要确定各种失效模式各自的具体表现形式，失效机理及描述轴承运转状态的参数。(1)疲劳失效。表现形式及失效机理：疲劳失效主要分为次表面初始疲劳和表面疲劳。疲劳失效常表现为滚动体或滚道接触表面上由最初的不规则的剥落坑逐渐延伸，直至发展为大片剥落。疲劳剥落产生的剥落坑会产生冲击载荷、加剧磨损、发热等。造成剥落主要是由于滚动接触区的交变应力导致材料次表层形成原始微裂纹。当裂纹扩展至表面时，当滚动体经过该裂纹时由于润滑油侵入裂纹内部产生油楔效应，不断将裂纹扩展至裂纹根部而断裂，形成疲劳点蚀或疲劳剥落。润滑油的粘压系数越小，越会加速裂纹的扩展。而轴承材质内部存在的非金属夹杂物，以及航空发动机主轴轴承高应力、高转速、高温条件则会加速裂纹的产生和扩展。2)磨损失效。表现形式及失效机理：轴承磨损失效是指轴承滚道、滚动体之间失去润滑油膜隔离，发生直接接触及相对滑动摩擦，导致滚动接触表面材料的缺失，进而失去工作能力或精度。主要分为表面起源的微疲劳磨损、微胶合等。磨损将增加滚动接触表面粗糙度，降低运转精度甚至发生胶合。在航空发动机中，如果采用较高的过滤精度则可能使滑油系统突然堵塞进而导致航空发动机主轴轴承失去润滑而过热卡死。为避免航空发动机突然空中停车，航空发动机润滑系统常采用较低的过滤精度，然而较低的过滤精度会导致杂质颗粒进入到滚动接触表面之间的可能性增加，造成滚动接触表面间的磨粒磨损。正常情况下，滚动轴承的滚动接触表面间由于润滑油膜的作用并不会发生直接接触，但如果润滑油膜的厚度较小或被破坏，不足以将两个滚动接触表面完全分离就会发生接触磨损。当与油膜厚度在同一数量级大小的杂质颗粒，如剥落材质等进入滚动摩擦表面之间时，就会发生磨料磨损。随着轴承材料持续不断被磨损，磨料颗粒数量、尺寸逐渐增加，就会形成恶性的、不断加速的磨损过程。材质表面磨损在一定程度上也会由于润滑油中添加的具有腐蚀性的化学成分对表面裂纹的腐蚀作用加速。影响磨损的因素包括滚动接触中接触表面形态，材质物理性能、润滑条件以及施加载荷、环境温度等工况参数。磨粒磨损率与磨粒大小、接触表面压力成正比。但颗粒尺寸达到一定值以后，颗粒大小不再影响磨损量。磨损形式在接触表面压力达到一定值时发生转变，压力对线磨损率的影响逐渐变小。在磨损初始阶段，接触表面的粗糙度和线磨损率随摩擦次数的累积而降低，并且由于滚动接触表面形成新的氧化膜，使磨损趋于平缓。

3试验机结构

试验机用于航空发动机主轴轴承各种应用特性的试验，如加速特性试验、载荷谱循环试验、载荷换向试验、环境温度试验、断油试验及润滑特性试验等。试验机主要由主体，试验轴承润滑系统，设备润滑系统，加载系统，空气系统，测控系统，打滑度测量系统，温度场测量系统，轴承故障诊断系统，润滑油在线检测系统，安全防护装置，辅助工艺系统等组成。 首先是主体。试验机的主体采用卧式结构，主要由试验平台、电动机、增速器、试验转接段、联轴器和安装座等组成。其中，试验转接段主要包括箱体、试验轴承、加载轴承、轴承座、试验轴、轴承腔、加载油缸、供油组件等。除了轴承为外购件，其余部件均为自行设计。其次是设备润滑系统。设备润滑系统的作用是为试验机的增速器轴承提供润滑和冷却，其主要技术指标如下:压力调节范围为0～0．6MPa;最大供油流量为60L/min。最后是空气系统。空气系统为试验轴承提供热气源，以模拟轴承的环境温度。空气系统主要由控制柜、电加热器、减压阀、冷却消音装置、质量流量计等组成，采用本地与远程控制，配有水冷式散热器，对排气进行冷却。主要技术指标如下:空气系统进气温度为室温;供气流量为0～50g/s;供气压力为≤0．8MPa;供气温度为室温～500℃;控温精度为±5℃;系统(排至大气)出口温度为60℃。

4试验结果及分析

4.1打滑蹭伤

通过圆柱滚子轴承内圈滚道的光学显微镜形貌，可见内圈滚道上的蹭伤区域与未蹭伤区域间的界面清晰，损伤区域呈带状，颜色呈褐色且与未蹭伤区域颜色有明显差别。打滑蹭伤作为微动磨损的一种特殊形式，是由于轴承转速高、载荷轻，滚动件/滚道接触面在旋转时的强烈滑动而引起的。 通过服役后圆柱滚子轴承内圈滚道打滑蹭伤的微观形貌，明显可见大小形状各异的剥落坑，剥落坑无规则分布且有微裂纹，坑的中心处最深边缘较浅。新轴承相比，打滑蹭伤轴承除含有C、V、Cr、Fe、Mo等元素外，还出现O元素，说明在打滑蹭伤过程中发生了氧化磨损。

4.2疲劳剥落

目前对疲劳剥落失效机制比较统一的观点有:(1)次表面起源型，认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部“次表面”为起源产生的疲劳剥落;(2)表面起源型，认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。利用扫描电镜对内圈剥落区一处进行观察，未发现明显的材质缺陷，剥落区不连续，且深度较浅，有密集颗粒状物质堆积，具有鳞片状剥落的特征，为表面起源型剥落。

结语

综上，本文确立了航空发动机主轴轴承主要失效模式。由于轴承滑蹭损伤主要涉及滚道与滚子磨损失效，因此在后续的研究中可以考虑引入表面工程，从表面涂层/改性层的角度，提高轴承内圈、滚子抗滑蹭损伤的能力。

参考文献

［1］孙闯，何正嘉，张周锁，等．基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估［J］．机械工程学报，2013，49(6):30－37．

［2］马朝永，黄攀，胥永刚，等．基于MDS和神经网络的滚动轴承故障诊断方法［J］．噪声与振动控制，2017，37(4):171－174．