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由某公司送檢的兩套飛機起動機軸承，均為國外進口深溝球軸承。軸承套圈及鋼球材質(zhì)相當于國產(chǎn)GCr15，保持架材質(zhì)相當于國產(chǎn)QAL10-3-1.5，圓形兜孔。軸承的潤滑方式為噴射性油潤滑。據(jù)用戶介紹，這兩套軸承分別安裝在起動機本體和起動電機之間的離合器上，安裝在同一根無錐度的軸上，軸承不承受軸向力，但有微小軸向裝配間隙，由離合器進行起動電機和起動機本體的傳動聯(lián)結(jié)和脫開。

 

起動電機的起動由起動電機通電帶動本體旋轉(zhuǎn)，此時由于離合器工作，軸承的內(nèi)外圈、滾動體及保持架沒有相對運動，每次起動電機接通時間僅幾秒鐘，整個離合器最大轉(zhuǎn)速達9000轉(zhuǎn)/min。起動機起動完畢進入正常工作時，由于起動電機斷開，離合器脫開，軸承內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，軸承外圈相對于內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速約36000轉(zhuǎn)/min，工作時間不大于50s。

 

該起動電機在工作一段時間后（起動次數(shù)約為首翻期壽命的十分之一），因起動電機不工作，線路斷開。分解起動機，發(fā)現(xiàn)離合器上兩套軸承旋轉(zhuǎn)不靈活，其中一套的保持架斷裂。

 

1、宏觀檢查

 

兩套軸承的宏觀形貌如圖1所示，其中保持架斷裂的軸承編號為1號，另一套編號為2號。

 

圖1 兩套失效軸承的外觀形貌

 

采用線切割方法將兩套軸承拆套，采用120號溶劑汽油和酒精進行清洗發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)部僅有極少量的細砂粒。對兩套失效軸承進行外觀檢查發(fā)現(xiàn)：

 

1號軸承外圈色澤正常，溝道面有輕微的磨損，無剝落現(xiàn)象發(fā)生，內(nèi)徑兩個引導面均有較嚴重的周向磨損，外徑面色澤正常，但也有明顯的周向磨痕；內(nèi)圈溝道面色澤正常，有輕微的磨損，溝角有翻邊現(xiàn)象，無剝落現(xiàn)象發(fā)生，一側(cè)端面色澤光亮，內(nèi)徑面靠近端面處分布有寬窄不同的兩條暗黑色且比較光亮的周向磨痕；8粒鋼球色澤光亮，無明顯異常；保持架一處斷裂，所有兜孔均呈橢圓形且有明顯的磨損痕跡，斷裂處的兜孔磨損最為嚴重，兩側(cè)鉚釘也發(fā)生了偏移，外徑面靠近端面兩側(cè)也有嚴重的磨損，如圖2所示。

 

  

（a）外圈溝道形貌  

 

（b）外圈外徑磨損形貌

 

（c）內(nèi)圈溝道溝角翻邊形貌  

 

（d）內(nèi)圈端面及內(nèi)徑磨損形貌

 

（e）鋼球形貌  

 

（f）保持架兜孔

圖2 1號軸承外觀

 

2號軸承整體損壞部位與1號軸承基本一致，但各零部件均比1號軸承損壞情況要輕一些：其中外圈外徑面完好，內(nèi)圈端面及保持架兜孔磨損也輕一些，但鋼球較1號軸承鋼球粗糙，色澤也暗一些，詳見圖3。

 

（a）外圈損傷形貌

 

（b）內(nèi)圈損傷形貌

 

（c）鋼球外觀形貌

 

（d）軸承保持架

圖3 2號軸承外觀

 

2、硬度檢驗

 

由于軸承零件尺寸較小，故硬度測試在HR－150A洛氏硬度計和HBV－30A布維硬度計上進行，負荷選擇分別為60kg和10kg，測試結(jié)果經(jīng)換算后如表1所示。

 

表1 起動機軸承零件的硬度（HRC）

 

軸承編號	軸承零件	測點1	測點2	測點3
1號	外圈	60.2	60.2	60.5
	內(nèi)圈	58.8	59.3	59.1
	鋼球1	64.7	64.7	64.7
	鋼球2	64.3	64.3	63.9
	鋼球3	64.3	64.7	64.3
2號	外圈	60.0	60.2	60.0
	內(nèi)圈	58.6	58.6	59.0
	鋼球1	65.1	65.1	64.7
	鋼球2	64.3	64.3	64.3
	鋼球3	64.3	64.3	64.7

 

注：套圈測試部位為端面，鋼球的測試部位為表面。

 

從表1的測試結(jié)果可知，送檢軸承各零件的硬度均符合ZJB J11038－1993標準要求（58～62HRC），合格。

 

3、金相檢驗

 

（1）常規(guī)項目檢驗

 

軸承零件的金相檢查在顯微鏡下進行。腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液。原材料檢驗參照軍甲-61標準，熱處理質(zhì)量參照ZJB J11038－1993標準進行評定，檢驗結(jié)果如表2所示。

 

表2軸承零件原材料及淬回火組織檢驗結(jié)果

 

軸承零件		夾雜物/級			碳化物不均勻性/級			淬回火 組織/級	工作面脫 碳層/mm
		氧化物	硫化物	點狀夾雜	帶狀碳化物	網(wǎng)狀碳化物	液析
1號	外圈	1.0	0.5	0.5	1.0	1.0	合格	3	未發(fā)現(xiàn)
	內(nèi)圈	0.5	0.5	0.5	2.5	2.5	合格	4	未發(fā)現(xiàn)
	鋼球1	－	－	－	－	－	－	5	未發(fā)現(xiàn)
2號	外圈	0.5	0.5	0.5	1.0	<2	合格	3	未發(fā)現(xiàn)
	內(nèi)圈	0.5	0.5	0.5	2.0	2.5	合格	4	未發(fā)現(xiàn)
	鋼球1	－	－	－	－	－	－	5	未發(fā)現(xiàn)

 

從表2的檢查結(jié)果可知，送檢兩套軸承的材料均符合軍標軍甲—61標準要求。內(nèi)圈和鋼球的淬回火組織偏粗，不符合ZJB J11038－1993標準要求。

 

（2）軸承零件剖面的金相組織檢查

 

經(jīng)檢查，兩套軸承零件的工作面及一些非工作面均存在有不同程度的燒傷現(xiàn)象，檢查結(jié)果如表3所示。

 

表3  軸承零件表面金相組織檢查

 

零件名稱		工作面	備注
1號	外圈	溝道表面高溫回火層0.02mm，外徑燒傷層深0.025mm，其中二次淬火層深0.02mm（見圖4），靠打字端一側(cè)溝角高溫回火層最深為0.05mm	內(nèi)徑引導面（擋邊）磨損深度0.04mm，倒角處脫碳深為0.04mm
	內(nèi)圈	溝道表面燒傷深度為0.025mm，其中二次淬火層0.005mm（見圖5）；內(nèi)徑表面燒傷層深0.050mm，其中二次淬火層深為0.016mm（見圖6）	有字端面局部燒傷層深0.06mm，其中二次淬回火層深0.025mm
	鋼球	鋼球剖面呈圓環(huán)狀燒傷，深度為0.45～0.55mm，其中二次淬火層深0.18～0.20mm（見圖7）；局部呈弧線狀燒傷，最大深度為0.53mm，其中二次淬火層0.28mm（見圖8）	局部有異金屬（保持架材料）熔入（見圖9），并存在至少三次淬火現(xiàn)象
2號	外圈	溝道有燒傷，高溫回火層深0.05～0.30mm	內(nèi)徑引導面（擋邊）磨損深度0.10～0.17mm，燒傷高溫回火層深0.05mm
	內(nèi)圈	溝道有輕微燒傷，高溫回火層深0.01～0.25mm	端面有字邊溝角有翻邊現(xiàn)象，深度為0.1mm；內(nèi)徑表面燒傷層深約0.025mm
	鋼球	表面有點狀和圓弧狀燒傷，深度為0.04～0.07mm（見圖10）	—

 

圖4 1號軸承外圈外徑面燒傷

 

圖5 1號軸承內(nèi)圈溝道面燒傷形貌

 

圖6 1號軸承內(nèi)圈內(nèi)徑面燒傷

 

圖7 1號軸承鋼球表面燒傷

 

圖8 1號軸承鋼球表面燒傷

 

圖9 1號軸承鋼球表面熔融形貌

 

圖10 2號軸承鋼球表面燒傷

 

由表3可以看出：

 

①1號軸承的燒傷情況較2號軸承嚴重。

 

②1號軸承零件燒傷的嚴重程度由弱到強的順序為外圈→內(nèi)圈→鋼球，這說明1號軸承的熱量來自內(nèi)部，即由于內(nèi)在因素導致的零件燒傷的早期失效。

 

③2號軸承零件燒傷的嚴重程度無明顯差別。

 

另外，考慮到外圈內(nèi)徑引導面也有磨損，由此推測2號軸承的損壞可能主要是由于1號軸承失效造成的。

 

（3）斷裂保持架斷口分析

 

觀察整體斷口形貌，發(fā)現(xiàn)由于兜孔磨損比較嚴重，保持架兜孔壁厚大大縮小，最厚處尺寸為1.077mm，最薄處尺寸為0.386mm，如圖11所示。變倍觀察發(fā)現(xiàn)斷口的裂紋起源主要有兩處，一處為兜孔的外徑斷口尺寸最小處；另一處為兜孔的邊部（尖角處），此處也是軸承運轉(zhuǎn)過程中應力最集中的地方。保持架兜孔外徑處斷裂源區(qū)及其瞬斷區(qū)形貌分別如圖12、圖13所示，兜孔的邊部（尖角處）裂紋源區(qū)斷口形貌如圖14所示。

 

圖11 保持架斷口整體形貌

 

圖12 保持架外徑斷口起源形貌

 

圖13 保持架內(nèi)徑瞬斷區(qū)斷口形貌

 

圖14 保持架邊部開裂源區(qū)斷口形貌

 

將保持架采用超聲波清洗烘干后放置在JSM-5610LV掃描電子顯微鏡下觀察斷口的微觀形貌，并采用牛津EDS7582能譜儀對保持架基體成分進行微區(qū)成分分析，結(jié)果表明保持架材料為鋁青銅。

 

4、結(jié)果分析

 

（1）從以上檢查結(jié)果可知，該套軸承的材料質(zhì)量和熱處理硬度均符合國內(nèi)現(xiàn)行軍標要求。淬回火組織按照現(xiàn)行軍標評定，外圈符合要求，但內(nèi)圈和鋼球不符合要求。由于各國標準之間存在一定差異，再加上軸承工作時間較短，由此認為該因素對軸承的早期失效可以不予考慮。

 

（2）根據(jù)掃描電鏡及能譜分析的結(jié)果確定軸承保持架材料為鋁青銅。保持架外徑面及兜孔表面磨損嚴重使得外徑變成了臺階狀，兜孔由圓形變成了橢圓形。尤其是發(fā)生斷裂的兜孔，最小壁厚僅為0.386mm，兜孔兩側(cè)的鉚釘也變形了。從電鏡分析結(jié)果可以確定斷口的開裂源區(qū)主要為兜孔的外徑面（最小壁厚處）和兜孔的邊部（尖角處），這兩處都是軸承運轉(zhuǎn)過程中應力最集中的地方，因而也說明保持架兜孔磨損發(fā)生在先，斷裂發(fā)生在后。

 

（3）從各軸承零件工作面的色澤，并結(jié)合剖面的金相組織檢驗結(jié)果可以確定：

 

①軸承起動時存在瞬間潤滑不良的情況，而且不止一次，從而導致軸承工作面均存在不同程度的燒傷甚至二次淬火層，鋼球燒傷尤其嚴重，局部還有異金屬（保持架材料）熔入現(xiàn)象，并存在三次淬火現(xiàn)象。

 

②1號軸承零件燒傷的嚴重程度由弱到強的順序為：外圈→內(nèi)圈→鋼球，這說明1號軸承的熱量來自內(nèi)部，即由于內(nèi)在因素導致的零件燒傷的早期失效。2號軸承零件燒傷的嚴重程度無明顯差別，另外考慮到外圈內(nèi)徑引導面也有磨損，由此推測2號軸承的損壞可能主要是由于1號軸承失效造成的。

 

③由于軸承零件工作面之間嚴重的磨損導致軸承保持架兜孔變形，工作面燒傷、受力不均、運轉(zhuǎn)失衡，內(nèi)圈與軸相對旋轉(zhuǎn)，并發(fā)生軸向位移，使得套圈外徑及端面被相鄰零件磨損，軸承轉(zhuǎn)動阻力增大，這樣形成惡性循環(huán)，最終導致保持架斷裂，軸承嚴重失效。

 

（4）滾動軸承的失效模式按其損傷機理大致可分為：接觸疲勞失效，磨擦磨損失效，斷裂失效，變形失效，腐蝕失效，以及游隙變化失效等幾種基本模式。綜合以上分析情況可以判定，起動機軸承早期失效的主要模式為斷裂失效，主要是由于起動機進入正常工作的短時間內(nèi)潤滑不良造成的——此時軸承外圈的轉(zhuǎn)速為36000轉(zhuǎn)/min，由于轉(zhuǎn)速高，時間短（不大于50s），如此的急加、減速會導致瞬時潤滑不良的情況發(fā)生。從軸承零件工作面嚴重燒傷且色澤光亮來看，軸承在工作過程中很可能還存在斷油現(xiàn)象。