王黎欽1,2 李（lǐ）秀娟（juān）1 古樂1 齊毓霖1
（1.哈（hā）爾濱工（gōng）業大學，哈爾濱 150001；2.重慶大學，重慶 630000）
摘 要：介紹了渦（wō）噴發動（dòng）機高溫高速軸承中導引麵嚴重磨損和軸承的熱失穩等失效形式的特征，分析了保持架（jià）和（hé）內圈引導麵之間“軟磨硬”的異常磨損（sǔn）失效機理，指出“軟磨硬”是由軸承保持架內引（yǐn）導麵（miàn）對套圈的高速高頻振（zhèn）動造成的，軸承引導（dǎo）麵材料摩擦性能不匹配和潤滑油嚴重汙染加速了磨損進程。同時，從軸承的性能參數方（fāng）麵分析了軸承的熱失穩產生的原因。台架模擬實驗再現了導引麵嚴重磨（mó）損的主要（yào）失效形式，提出並實驗驗證了采用陶瓷軸承和導引麵材料改性技術克服異常（cháng）磨損的技（jì）術措施。
關鍵詞：球軸承：失效機理；膠合；衝擊磨損；改進（jìn）措施
提高（gāo）軸承可靠性和延（yán）長其使用壽命是目前小型高速發動（dòng）機的關鍵技術之（zhī）一。失（shī）效分析工作主要是針（zhēn）對早期失效的軸承（chéng）找出其失效原因，提出改進措施，以提高軸承運轉的壽命和可靠性。目前用軸（zhóu）承鋼（gāng）製造的在特殊工況下工作的軸（zhóu）承，在高速和（hé）高溫情況下存在一些問（wèn）題，失效形（xíng）式以非正常過量磨損、滾道燒傷、熱失穩咬死等惡（è）性失效（xiào）為主，本文敘述的軸承就是針對高速、高溫、重載、限量潤滑工況綜合考慮軸承部（bù）件（jiàn）的材料、結構參數、以及（jí）運（yùn）轉狀況等一係列因素而分析渦噴發動機用高速軸承的（de）失效機理。並（bìng）根據對失效機理的分析，提出相應的改進措施。
1 小型高速發動機高溫高（gāo）速球軸承工（gōng）況及主要失效形（xíng）式
小型高（gāo）速渦噴發動機主軸軸承工作在高速、高溫、限油潤滑等（děng）惡劣工況下，按標準的航空（kōng）發動機軸承設計，采用雙半內（nèi）圈三點接觸式內導（dǎo）引結構，具體工況條件見表（biǎo）1。在眾多的失效形式中Z普遍和典型的失效形式是導引麵嚴重磨損，而非接觸疲勞。表2總（zǒng）結了軸承在該工況下（xià）的典型失效形式。
圖1給出了軸承在上述工況下發動機實驗前後（hòu）的（de）照片。軸承產生了嚴重（chóng）的磨損失效，這種磨損發生（shēng）在軸承內部的主要摩擦麵上，包括保持架和內圈之間的導引麵、滾（gǔn）動體（tǐ）和內外（wài）套圈（quān）的溝道之間。磨損後（hòu）的軸承內部（bù）結（jié）構參數遭受了徹底的破壞（huài）；而（ér）且出現了如圖2所示的引導麵“軟磨硬”的異常磨損現象，即較軟的保持架（硬度HRC33-37）引導麵磨損相對較輕，淬硬的不鏽鋼套圈（硬度HRC60-64）磨損相對嚴重。運（yùn）轉9h保持架（jià）的直徑磨損（sǔn）量為0.18mm，套圈的直徑磨損（sǔn）量為6.06mm；此外，軸承出現了（le）熱失穩，嚴重時產生的局部（bù）高溫有可能使軸承退火，甚至熔化，導致軸承元件斷裂，套圈（quān）和滾（gǔn）動體咬死，如圖3所示。
此外，這種高溫高速（sù）軸承同樣存在磨料磨損（sǔn），由於采用了犧牲型鑄鐵密封環，密封麵（miàn）磨損下來的顆粒進入循環（huán）的潤滑油（yóu）係統（tǒng），有限的潤滑油存在嚴重顆粒汙染，因此加劇了滾動體、滾道、保持架等（děng）接觸部位的磨損；大量發動機上失效的軸承幾乎都是（shì）嚴重磨損，而很少出現疲勞。因此可（kě）以（yǐ）肯（kěn）定，在磨損加重、精（jīng）度降低、振動加大、溫升加快、潤滑油汙染加（jiā）重之間（jiān）存在惡性循環（huán），這與一般滾動軸承（chéng）失效原因不同（tóng）。
2 軸（zhóu）承“軟磨硬”失（shī）效的台架驗證
為排除磨粒磨損的幹擾，在彈用發動機（jī）軸（zhóu）承的工況模擬台架上，對軸承進行了失效實驗，完全按照發（fā）動機載荷譜運轉，且采用清潔潤滑（huá）油不限量潤滑（huá），運轉6h取（qǔ）下軸承，軸承的引導（dǎo）麵仍出現了嚴重磨損，保持架的直徑磨損（sǔn）量為0.08mm，套圈的直徑磨損量為0.84mm；而滾道和球之間、球和保持架兜孔（kǒng）之間磨損量極小；因此可以確認台架（jià）實驗成功的複現了“軟磨硬”失（shī）效，見圖4。“軟磨硬”是彈用（yòng）渦噴發（fā）動機高溫高速軸承（chéng）固有的（de）失效形式。
3 發動機高溫高（gāo）速軸承“軟磨硬”的失效機理分析
一般情況下，在配伍件之間，磨損發生在較軟的金屬上（shàng），因為軟材料具有較小的剪切強度，表麵材料在摩擦力的反複作用下發生剪切斷裂後而被轉移或隨潤滑（huá）劑而流失。但（dàn）在表1所示的高速高溫條件下，較軟的（de）保持架將較（jiào）硬的軸承套圈磨（mó）損掉，顯然已經超出（chū）上述常規（guī）磨損現象，可（kě）以認（rèn）為是由於振動而導致的衝（chōng）擊（jī）磨（mó）損，其主要原（yuán）因（yīn）是導引麵材料在高速條件下的摩擦（cā）學（xué）性能不匹配和保持架高速運行而產生的衝擊（jī）。摩擦學性能不匹配（pèi）一方麵指保持架材料和套圈材料同屬鋼（gāng），另一方麵高速條件下即使是較軟的保持架。由（yóu）於高速運轉不穩（wěn）定，其摩擦（cā）麵以高（gāo）速高頻即高（gāo）能量衝擊套圈表（biǎo）麵，將被衝擊麵上的材料磨損掉。保持架運轉不穩（wěn）定可能有兩方麵的原因：一是存在雙半內圈雙側導引麵不一致，原始加工誤差的相位任意性、裝配變形誤差、保持架的導引麵誤差三者的隨機組合，導致導引間隙變化，進一步引起保（bǎo）持運（yùn）轉不穩（wěn）定；二是潤滑油的噴射飛濺（jiàn）反作用載荷，見圖5。潤滑油直接噴（pēn）射在內圈導引麵斜（xié）坡上再反射到保持架內表麵，籍（jí）此冷卻導（dǎo）引麵，這使高速運轉（zhuǎn）的保持架受力失衡而（ér）加劇運轉不穩定。上述過程是一個（gè）惡性循環過程，導引間隙增大後，保持架高頻高（gāo）速衝擊更大，運轉更（gèng）不穩（wěn）定，也越容易受到諸（zhū）如潤滑油飛濺載荷的影響；對內圈導引麵的磨損達到一定程度後，保持架的外圓麵開始與外套圈的內表麵接觸，並產生衝擊振動磨損（sǔn）。
4 渦噴發動機高溫高速軸承的熱失穩機理分析
（1）材料方麵
9Cr18不鏽鋼（gāng）軸承的耐（nài）高溫性能（néng）差，短期Z高使用溫度在200℃以下，軸承瞬時溫度超過此溫度將導致不可逆轉（zhuǎn）的高溫失效。
（2）軸承參數
軸承幾何（hé）參數對熱失穩有很大的影響。高速條件下，滾動體與內外套圈（quān）滾道之間高速摩擦將引起接觸區發（fā）熱和潤滑油溫度急劇升高，接觸麵積越小，發熱越小，而接觸麵積（jī）主（zhǔ）要由（yóu）溝曲率係數確定（dìng）。如果軸承的內部（bù）溝曲率偏小（xiǎo）會產生兩種嚴重後果：（a）發熱量（liàng）大大提高，若不能得（dé）到及時冷卻，很快會因為軸（zhóu）承接觸區高溫、軸承變形、變色、熔化而咬死；（b）對（duì）潤滑油汙染十分敏感，隻要被汙染的（de）潤滑油進入接觸區，導致接（jiē）觸區發生哪怕極少量的磨損（sǔn），引起溝曲率發生變化很小，但接觸麵積迅速增大，導致惡性咬死；在上述（shù）情況下（xià），如果（guǒ）導引間隙偏小，內套圈的噴油倒角有偏差，或者潤滑油油路發生故障而導（dǎo）致摩擦麵無潤滑劑；或者發生溝道磨損，都會導致發熱（rè）急（jí）劇（jù）增大，在發（fā）生嚴（yán）重磨損之（zhī）前，出（chū）現熱失穩而被咬（yǎo）死，如圖3所示。這種失效在彈用發動機軸承中經常出現。研究表明，如溝曲率係數（shù）由0.54減小到0.515，發熱量（liàng）會提高90%，此時，盡管保持架有銀膜，而幹摩擦狀態下摩擦係數對高速軸承而言，仍然很高，容易（yì）導致軸承發熱。此外，溫度升高還會導致（zhì）潤滑油（yóu）變質和分解。
5 防（fáng）止高溫高速軸（zhóu）承失效（xiào）采取的主要措（cuò）施
（1）采用陶瓷和鋼等不同材（cái）料製做高性能軸承由於陶（táo）瓷材料具有密度低、抗疲勞和磨損性能優、抗潤滑（huá）劑汙染能力強、硬度（dù）高等優點，並且與9Cr18不鏽鋼有優（yōu）良的摩擦配（pèi）伍性能，即使在幹摩擦情況下其摩擦（cā）係數也能夠穩定在0.2以下；由於陶瓷滾動體的密度僅為鋼球的40%，在高速旋（xuán）轉時產生的離心力低，軸承的運轉較鋼軸承平穩；在疲勞不是主要（yào）失效形式（shì）的條件下，希望軸承有較小的接觸麵積，以減小（xiǎo）發熱和降低（dī）對磨損的敏感性（xìng）（接觸麵（miàn）積越大、發（fā）熱越重、溫度越（yuè）高、磨損越快、對溝曲率係數很小的發動機軸承將導致接觸麵積急劇增大，產生惡性循環（huán）），此外陶瓷和鋼在高溫下不會出現粘接咬死等惡性失效，因此混合式陶（táo）瓷球軸承從根本上不會出現鋼軸承出現的大（dà）部分失（shī）效形式，從而延長軸（zhóu）承的（de）使用壽命和提高軸承可靠性。混合式陶瓷球軸承通過了規（guī）定壽命台（tái）架（jià）的考核，並（bìng）且引導麵磨損輕微，見圖6。
（2）改變保持架引導麵材料
為此采用了套圈保（bǎo）持架表麵離子注入改性技術提高套圈引導麵的耐磨性，減小對（duì）潤滑（huá）油的汙染，同（tóng）時采（cǎi）用了鉛黃（huáng）銅材料替代原鋼製保持（chí）架材料（liào），進一步改善保（bǎo）持架和套圈在（zài）引導摩擦麵上的（de）材料摩擦匹配性能。
在發動機軸承工況的完（wán）全模擬台架上，導引麵改性軸承進行了考核實驗，改性軸承經受住了規定壽命的考核，導引麵（miàn）沒（méi）有出現（xiàn）“軟磨硬”，磨損程度非常輕微，軸承運轉15h，保持架直徑磨（mó）損量0.03mm，而內（nèi）套（tào）圈引導麵（miàn）直徑磨損量0.01mm，如圖7所示。表明（míng）失效機（jī）理分析正確，采取的技術措施是（shì）完全可行的。
6 結束語
本文歸納了渦噴發動機用高溫高速軸承的主要失效形式不是常（cháng）見的疲勞，而是嚴重磨損和熱失穩等失效，分析了保持架與（yǔ）內圈引導麵（miàn）之間發生的（de）“軟磨（mó）硬”異（yì）常磨損原因是由於軸承元件材料的摩擦配伍性（xìng）不匹配和保持架的高速高（gāo）頻衝擊振動（dòng）造成的（de）；提出了防止該（gāi）類軸承異（yì）常失效的技術措施，並（bìng）用台架模擬工（gōng）況實驗驗證了改進（jìn）措（cuò）施的正確性和有（yǒu）效性。
來（lái）源：《機械科學與技術》2002年06期
