王黎钦1,2 李秀娟1 古乐1 齐毓霖1
（1.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；2.重庆大学，重庆 630000）
摘 要：介绍了涡喷发动机高温高速轴承中导引面严重磨损和轴承的热失稳等失效形式的特征，分析了保持架和内圈引导面之间“软磨硬”的异常磨损失效机理，指出“软磨硬”是由轴承保持架内引导面对套圈的高速高频振动造成的，轴承引导面材料摩擦性能不匹配和润滑油严重污染加速了磨损进程。同时，从轴承的性能参数方面分析了轴承的热失稳产生的原因。台架模拟实验再现了导引面严重磨损的主要失效形式，提出并实验验证了采用陶瓷轴承和导引面材料改性技术克服异常磨损的技术措施。
关键词：球轴承：失效机理；胶合；冲击磨损；改进措施
提高轴承可靠性和延长其使用寿命是目前小型高速发动机的关键技术之一。失效分析工作主要是针对早期失效的轴承找出其失效原因，提出改进措施，以提高轴承运转的寿命和可靠性。目前用轴承钢制造的在特殊工况下工作的轴承，在高速和高温情况下存在一些问题，失效形式以非正常过量磨损、滚道烧伤、热失稳咬死等恶性失效为主，本文叙述的轴承就是针对高速、高温、重载、限量润滑工况综合考虑轴承部件的材料、结构参数、以及运转状况等一系列因素而分析涡喷发动机用高速轴承的失效机理。并根据对失效机理的分析，提出相应的改进措施。
1 小型高速发动机高温高速球轴承工况及主要失效形式
小型高速涡喷发动机主轴轴承工作在高速、高温、限油润滑等恶劣工况下，按标准的航空发动机轴承设计，采用双半内圈三点接触式内导引结构，具体工况条件见表1。在众多的失效形式中Z普遍和典型的失效形式是导引面严重磨损，而非接触疲劳。表2总结了轴承在该工况下的典型失效形式。
图1给出了轴承在上述工况下发动机实验前后的照片。轴承产生了严重的磨损失效，这种磨损发生在轴承内部的主要摩擦面上，包括保持架和内圈之间的导引面、滚动体和内外套圈的沟道之间。磨损后的轴承内部结构参数遭受了彻底的破坏；而且出现了如图2所示的引导面“软磨硬”的异常磨损现象，即较软的保持架（硬度HRC33-37）引导面磨损相对较轻，淬硬的不锈钢套圈（硬度HRC60-64）磨损相对严重。运转9h保持架的直径磨损量为0.18mm，套圈的直径磨损量为6.06mm；此外，轴承出现了热失稳，严重时产生的局部高温有可能使轴承退火，甚至熔化，导致轴承元件断裂，套圈和滚动体咬死，如图3所示。
此外，这种高温高速轴承同样存在磨料磨损，由于采用了牺牲型铸铁密封环，密封面磨损下来的颗粒进入循环的润滑油系统，有限的润滑油存在严重颗粒污染，因此加剧了滚动体、滚道、保持架等接触部位的磨损；大量发动机上失效的轴承几乎都是严重磨损，而很少出现疲劳。因此可以肯定，在磨损加重、精度降低、振动加大、温升加快、润滑油污染加重之间存在恶性循环，这与一般滚动轴承失效原因不同。
2 轴承“软磨硬”失效的台架验证
为排除磨粒磨损的干扰，在弹用发动机轴承的工况模拟台架上，对轴承进行了失效实验，完全按照发动机载荷谱运转，且采用清洁润滑油不限量润滑，运转6h取下轴承，轴承的引导面仍出现了严重磨损，保持架的直径磨损量为0.08mm，套圈的直径磨损量为0.84mm；而滚道和球之间、球和保持架兜孔之间磨损量极小；因此可以确认台架实验成功的复现了“软磨硬”失效，见图4。“软磨硬”是弹用涡喷发动机高温高速轴承固有的失效形式。
3 发动机高温高速轴承“软磨硬”的失效机理分析
一般情况下，在配伍件之间，磨损发生在较软的金属上，因为软材料具有较小的剪切强度，表面材料在摩擦力的反复作用下发生剪切断裂后而被转移或随润滑剂而流失。但在表1所示的高速高温条件下，较软的保持架将较硬的轴承套圈磨损掉，显然已经超出上述常规磨损现象，可以认为是由于振动而导致的冲击磨损，其主要原因是导引面材料在高速条件下的摩擦学性能不匹配和保持架高速运行而产生的冲击。摩擦学性能不匹配一方面指保持架材料和套圈材料同属钢，另一方面高速条件下即使是较软的保持架。由于高速运转不稳定，其摩擦面以高速高频即高能量冲击套圈表面，将被冲击面上的材料磨损掉。保持架运转不稳定可能有两方面的原因：一是存在双半内圈双侧导引面不一致，原始加工误差的相位任意性、装配变形误差、保持架的导引面误差三者的随机组合，导致导引间隙变化，进一步引起保持运转不稳定；二是润滑油的喷射飞溅反作用载荷，见图5。润滑油直接喷射在内圈导引面斜坡上再反射到保持架内表面，籍此冷却导引面，这使高速运转的保持架受力失衡而加剧运转不稳定。上述过程是一个恶性循环过程，导引间隙增大后，保持架高频高速冲击更大，运转更不稳定，也越容易受到诸如润滑油飞溅载荷的影响；对内圈导引面的磨损达到一定程度后，保持架的外圆面开始与外套圈的内表面接触，并产生冲击振动磨损。
4 涡喷发动机高温高速轴承的热失稳机理分析
（1）材料方面
9Cr18不锈钢轴承的耐高温性能差，短期Z高使用温度在200℃以下，轴承瞬时温度超过此温度将导致不可逆转的高温失效。
（2）轴承参数
轴承几何参数对热失稳有很大的影响。高速条件下，滚动体与内外套圈滚道之间高速摩擦将引起接触区发热和润滑油温度急剧升高，接触面积越小，发热越小，而接触面积主要由沟曲率系数确定。如果轴承的内部沟曲率偏小会产生两种严重后果：（a）发热量大大提高，若不能得到及时冷却，很快会因为轴承接触区高温、轴承变形、变色、熔化而咬死；（b）对润滑油污染十分敏感，只要被污染的润滑油进入接触区，导致接触区发生哪怕极少量的磨损，引起沟曲率发生变化很小，但接触面积迅速增大，导致恶性咬死；在上述情况下，如果导引间隙偏小，内套圈的喷油倒角有偏差，或者润滑油油路发生故障而导致摩擦面无润滑剂；或者发生沟道磨损，都会导致发热急剧增大，在发生严重磨损之前，出现热失稳而被咬死，如图3所示。这种失效在弹用发动机轴承中经常出现。研究表明，如沟曲率系数由0.54减小到0.515，发热量会提高90%，此时，尽管保持架有银膜，而干摩擦状态下摩擦系数对高速轴承而言，仍然很高，容易导致轴承发热。此外，温度升高还会导致润滑油变质和分解。
5 防止高温高速轴承失效采取的主要措施
（1）采用陶瓷和钢等不同材料制做高性能轴承由于陶瓷材料具有密度低、抗疲劳和磨损性能优、抗润滑剂污染能力强、硬度高等优点，并且与9Cr18不锈钢有优良的摩擦配伍性能，即使在干摩擦情况下其摩擦系数也能够稳定在0.2以下；由于陶瓷滚动体的密度仅为钢球的40%，在高速旋转时产生的离心力低，轴承的运转较钢轴承平稳；在疲劳不是主要失效形式的条件下，希望轴承有较小的接触面积，以减小发热和降低对磨损的敏感性（接触面积越大、发热越重、温度越高、磨损越快、对沟曲率系数很小的发动机轴承将导致接触面积急剧增大，产生恶性循环），此外陶瓷和钢在高温下不会出现粘接咬死等恶性失效，因此混合式陶瓷球轴承从根本上不会出现钢轴承出现的大部分失效形式，从而延长轴承的使用寿命和提高轴承可靠性。混合式陶瓷球轴承通过了规定寿命台架的考核，并且引导面磨损轻微，见图6。
（2）改变保持架引导面材料
为此采用了套圈保持架表面离子注入改性技术提高套圈引导面的耐磨性，减小对润滑油的污染，同时采用了铅黄铜材料替代原钢制保持架材料，进一步改善保持架和套圈在引导摩擦面上的材料摩擦匹配性能。
在发动机轴承工况的完全模拟台架上，导引面改性轴承进行了考核实验，改性轴承经受住了规定寿命的考核，导引面没有出现“软磨硬”，磨损程度非常轻微，轴承运转15h，保持架直径磨损量0.03mm，而内套圈引导面直径磨损量0.01mm，如图7所示。表明失效机理分析正确，采取的技术措施是完全可行的。
6 结束语
本文归纳了涡喷发动机用高温高速轴承的主要失效形式不是常见的疲劳，而是严重磨损和热失稳等失效，分析了保持架与内圈引导面之间发生的“软磨硬”异常磨损原因是由于轴承元件材料的摩擦配伍性不匹配和保持架的高速高频冲击振动造成的；提出了防止该类轴承异常失效的技术措施，并用台架模拟工况实验验证了改进措施的正确性和有效性。
来源：《机械科学与技术》2002年06期
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