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渦噴發(fā)動機高溫高速軸承失效機理及改進措施

2013-10-10

王黎欽1,2　李秀娟1　古樂1　齊毓霖1
（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱　150001；2.重慶大學(xué)，重慶　630000）
　　摘　要：介紹了渦噴發(fā)動機高溫高速軸承中導(dǎo)引面嚴(yán)重磨損和軸承的熱失穩(wěn)等失效形式的特征，分析了保持架和內(nèi)圈引導(dǎo)面之間“軟磨硬”的異常磨損失效機理，指出“軟磨硬”是由軸承保持架內(nèi)引導(dǎo)面對套圈的高速高頻振動造成的，軸承引導(dǎo)面材料摩擦性能不匹配和潤滑油嚴(yán)重污染加速了磨損進程。同時，從軸承的性能參數(shù)方面分析了軸承的熱失穩(wěn)產(chǎn)生的原因。臺架模擬實驗再現(xiàn)了導(dǎo)引面嚴(yán)重磨損的主要失效形式，提出并實驗驗證了采用陶瓷軸承和導(dǎo)引面材料改性技術(shù)克服異常磨損的技術(shù)措施。
　　關(guān)鍵詞：球軸承：失效機理；膠合；沖擊磨損；改進措施
　　提高軸承可靠性和延長其使用壽命是目前小型高速發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。失效分析工作主要是針對早期失效的軸承找出其失效原因，提出改進措施，以提高軸承運轉(zhuǎn)的壽命和可靠性。目前用軸承鋼制造的在特殊工況下工作的軸承，在高速和高溫情況下存在一些問題，失效形式以非正常過量磨損、滾道燒傷、熱失穩(wěn)咬死等惡性失效為主，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件的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、以及運轉(zhuǎn)狀況等一系列因素而分析渦噴發(fā)動機用高速軸承的失效機理。并根據(jù)對失效機理的分析，提出相應(yīng)的改進措施。
　　1　小型高速發(fā)動機高溫高速球軸承工況及主要失效形式
　　小型高速渦噴發(fā)動機主軸軸承工作在高速、高溫、限油潤滑等惡劣工況下，按標(biāo)準(zhǔn)的航空發(fā)動機軸承設(shè)計，采用雙半內(nèi)圈三點接觸式內(nèi)導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，具體工況條件見表1。在眾多的失效形式中Z普遍和典型的失效形式是導(dǎo)引面嚴(yán)重磨損，而非接觸疲勞。表2總結(jié)了軸承在該工況下的典型失效形式。

　　圖1給出了軸承在上述工況下發(fā)動機實驗前后的照片。軸承產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損失效，這種磨損發(fā)生在軸承內(nèi)部的主要摩擦面上，包括保持架和內(nèi)圈之間的導(dǎo)引面、滾動體和內(nèi)外套圈的溝道之間。磨損后的軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)遭受了徹底的破壞；而且出現(xiàn)了如圖2所示的引導(dǎo)面“軟磨硬”的異常磨損現(xiàn)象，即較軟的保持架（硬度HRC33-37）引導(dǎo)面磨損相對較輕，淬硬的不銹鋼套圈（硬度HRC60-64）磨損相對嚴(yán)重。運轉(zhuǎn)9h保持架的直徑磨損量為0.18mm，套圈的直徑磨損量為6.06mm；此外，軸承出現(xiàn)了熱失穩(wěn)，嚴(yán)重時產(chǎn)生的局部高溫有可能使軸承退火，甚至熔化，導(dǎo)致軸承元件斷裂，套圈和滾動體咬死，如圖3所示。
　　此外，這種高溫高速軸承同樣存在磨料磨損，由于采用了犧牲型鑄鐵密封環(huán)，密封面磨損下來的顆粒進入循環(huán)的潤滑油系統(tǒng)，有限的潤滑油存在嚴(yán)重顆粒污染，因此加劇了滾動體、滾道、保持架等接觸部位的磨損；大量發(fā)動機上失效的軸承幾乎都是嚴(yán)重磨損，而很少出現(xiàn)疲勞。因此可以肯定，在磨損加重、精度降低、振動加大、溫升加快、潤滑油污染加重之間存在惡性循環(huán)，這與一般滾動軸承失效原因不同。
　　2　軸承“軟磨硬”失效的臺架驗證
　　為排除磨粒磨損的干擾，在彈用發(fā)動機軸承的工況模擬臺架上，對軸承進行了失效實驗，完全按照發(fā)動機載荷譜運轉(zhuǎn)，且采用清潔潤滑油不限量潤滑，運轉(zhuǎn)6h取下軸承，軸承的引導(dǎo)面仍出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，保持架的直徑磨損量為0.08mm，套圈的直徑磨損量為0.84mm；而滾道和球之間、球和保持架兜孔之間磨損量極小；因此可以確認(rèn)臺架實驗成功的復(fù)現(xiàn)了“軟磨硬”失效，見圖4。“軟磨硬”是彈用渦噴發(fā)動機高溫高速軸承固有的失效形式。
 
　　3　發(fā)動機高溫高速軸承“軟磨硬”的失效機理分析
　　一般情況下，在配伍件之間，磨損發(fā)生在較軟的金屬上，因為軟材料具有較小的剪切強度，表面材料在摩擦力的反復(fù)作用下發(fā)生剪切斷裂后而被轉(zhuǎn)移或隨潤滑劑而流失。但在表1所示的高速高溫條件下，較軟的保持架將較硬的軸承套圈磨損掉，顯然已經(jīng)超出上述常規(guī)磨損現(xiàn)象，可以認(rèn)為是由于振動而導(dǎo)致的沖擊磨損，其主要原因是導(dǎo)引面材料在高速條件下的摩擦學(xué)性能不匹配和保持架高速運行而產(chǎn)生的沖擊。摩擦學(xué)性能不匹配一方面指保持架材料和套圈材料同屬鋼，另一方面高速條件下即使是較軟的保持架。由于高速運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，其摩擦面以高速高頻即高能量沖擊套圈表面，將被沖擊面上的材料磨損掉。保持架運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定可能有兩方面的原因：一是存在雙半內(nèi)圈雙側(cè)導(dǎo)引面不一致，原始加工誤差的相位任意性、裝配變形誤差、保持架的導(dǎo)引面誤差三者的隨機組合，導(dǎo)致導(dǎo)引間隙變化，進一步引起保持運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；二是潤滑油的噴射飛濺反作用載荷，見圖5。潤滑油直接噴射在內(nèi)圈導(dǎo)引面斜坡上再反射到保持架內(nèi)表面，籍此冷卻導(dǎo)引面，這使高速運轉(zhuǎn)的保持架受力失衡而加劇運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。上述過程是一個惡性循環(huán)過程，導(dǎo)引間隙增大后，保持架高頻高速沖擊更大，運轉(zhuǎn)更不穩(wěn)定，也越容易受到諸如潤滑油飛濺載荷的影響；對內(nèi)圈導(dǎo)引面的磨損達到一定程度后，保持架的外圓面開始與外套圈的內(nèi)表面接觸，并產(chǎn)生沖擊振動磨損。
　　4　渦噴發(fā)動機高溫高速軸承的熱失穩(wěn)機理分析
　　（1）材料方面
　　9Cr18不銹鋼軸承的耐高溫性能差，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(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的高溫失效。
　　（2）軸承參數(shù)
　　軸承幾何參數(shù)對熱失穩(wěn)有很大的影響。高速條件下，滾動體與內(nèi)外套圈滾道之間高速摩擦將引起接觸區(qū)發(fā)熱和潤滑油溫度急劇升高，接觸面積越小，發(fā)熱越小，而接觸面積主要由溝曲率系數(shù)確定。如果軸承的內(nèi)部溝曲率偏小會產(chǎn)生兩種嚴(yán)重后果：（a）發(fā)熱量大大提高，若不能得到及時冷卻，很快會因為軸承接觸區(qū)高溫、軸承變形、變色、熔化而咬死；（b）對潤滑油污染十分敏感，只要被污染的潤滑油進入接觸區(qū)，導(dǎo)致接觸區(qū)發(fā)生哪怕極少量的磨損，引起溝曲率發(fā)生變化很小，但接觸面積迅速增大，導(dǎo)致惡性咬死；在上述情況下，如果導(dǎo)引間隙偏小，內(nèi)套圈的噴油倒角有偏差，或者潤滑油油路發(fā)生故障而導(dǎo)致摩擦面無潤滑劑；或者發(fā)生溝道磨損，都會導(dǎo)致發(fā)熱急劇增大，在發(fā)生嚴(yán)重磨損之前，出現(xiàn)熱失穩(wěn)而被咬死，如圖3所示。這種失效在彈用發(fā)動機軸承中經(jīng)常出現(xiàn)。研究表明，如溝曲率系數(shù)由0.54減小到0.515，發(fā)熱量會提高90%，此時，盡管保持架有銀膜，而干摩擦狀態(tài)下摩擦系數(shù)對高速軸承而言，仍然很高，容易導(dǎo)致軸承發(fā)熱。此外，溫度升高還會導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)和分解。
　　5　防止高溫高速軸承失效采取的主要措施
　　（1）采用陶瓷和鋼等不同材料制做高性能軸承由于陶瓷材料具有密度低、抗疲勞和磨損性能優(yōu)、抗?jié)櫥瑒┪廴灸芰姟⒂捕雀叩葍?yōu)點，并且與9Cr18不銹鋼有優(yōu)良的摩擦配伍性能，即使在干摩擦情況下其摩擦系數(shù)也能夠穩(wěn)定在0.2以下；由于陶瓷滾動體的密度僅為鋼球的40%，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力低，軸承的運轉(zhuǎn)較鋼軸承平穩(wěn)；在疲勞不是主要失效形式的條件下，希望軸承有較小的接觸面積，以減小發(fā)熱和降低對磨損的敏感性（接觸面積越大、發(fā)熱越重、溫度越高、磨損越快、對溝曲率系數(shù)很小的發(fā)動機軸承將導(dǎo)致接觸面積急劇增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)），此外陶瓷和鋼在高溫下不會出現(xiàn)粘接咬死等惡性失效，因此混合式陶瓷球軸承從根本上不會出現(xiàn)鋼軸承出現(xiàn)的大部分失效形式，從而延長軸承的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)定壽命臺架的考核，并且引導(dǎo)面磨損輕微，見圖6。
　　（2）改變保持架引導(dǎo)面材料
　　為此采用了套圈保持架表面離子注入改性技術(shù)提高套圈引導(dǎo)面的耐磨性，減小對潤滑油的污染，同時采用了鉛黃銅材料替代原鋼制保持架材料，進一步改善保持架和套圈在引導(dǎo)摩擦面上的材料摩擦匹配性能。
　　在發(fā)動機軸承工況的完全模擬臺架上，導(dǎo)引面改性軸承進行了考核實驗，改性軸承經(jīng)受住了規(guī)定壽命的考核，導(dǎo)引面沒有出現(xiàn)“軟磨硬”，磨損程度非常輕微，軸承運轉(zhuǎn)15h，保持架直徑磨損量0.03mm，而內(nèi)套圈引導(dǎo)面直徑磨損量0.01mm，如圖7所示。表明失效機理分析正確，采取的技術(shù)措施是完全可行的。
　　6　結(jié)束語
　　本文歸納了渦噴發(fā)動機用高溫高速軸承的主要失效形式不是常見的疲勞，而是嚴(yán)重磨損和熱失穩(wěn)等失效，分析了保持架與內(nèi)圈引導(dǎo)面之間發(fā)生的“軟磨硬”異常磨損原因是由于軸承元件材料的摩擦配伍性不匹配和保持架的高速高頻沖擊振動造成的；提出了防止該類軸承異常失效的技術(shù)措施，并用臺架模擬工況實驗驗證了改進措施的正確性和有效性。
來源：《機械科學(xué)與技術(shù)》2002年06期