航空发动机轴承失效分析
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［ "］ 。 环开始发生
与内圈沟道完全吻合， 并在内圈沟道上留下大量 高温粘着表象特征。在此前后， 轴承工作系统会 发出异常声。 钢球在与内圈沟道做快速相对滑动的同时， 不断撞击保持架兜孔内壁， 留下了磨损痕迹和少 量高温金属粘着特征； 钢球的另一面与外圈沟道 不停地在原地往复滑动摩擦， 形成了小面积亮斑。 这一失效过程时间很短， 估计仅有 , # -! &*+。 在这一过程中钢球温度最高， 内圈次之， 外圈 温度最低。内圈比钢球温度低的原因是它能够把 热量迅速传递给齿轮轴 （ 这与齿轮内花键槽有明 显的高温着色痕迹相对应） ； 外圈本身发热量就 小， 且能够把热量迅速传递到壳体， 所以其温度就 更低。在正常停车后， 润滑油迅速回流淹没轴承， 对钢球和内圈进行了二次淬火， 从而使得钢球和 内圈硬度都存在由心部向表面递增， 且次表层为 二次淬火的组织特征。而润滑油对外圈进行了退 火， 硬度由心部向表面递减。同时， 润滑油回流淹 没轴承后又使本来已经干涸的、 附着在保持架表 面及引导间隙间的石墨粉末和橡胶圈碳化粉末混 合物变为沥青状油污。
$! 后轴承工况
轴承安装位置如图 $ 所示。
图 $! 安装位置图
图中后轴承为本次失效轴承， 其左面为润滑 油油雾进口， 右面为磁性密封圈等系统密封装置。 工作时， 外圈静止， 内圈转速为 ! 2 3 %%% 4 5 678； 单 面油雾自由飘入润滑； 工作温度 " 9 $"% :［ $］。
收稿日期： +%%# . $$ . +/ ； 修回日期： +%%/ . %+ . $+ 作者简介： 陈! 宇， 总工程师， 技术开发部部长， 高级工程 师， 主管产品设计及产品质量等。 ; . 6<7=： >?@<@A BCD=7E) F>) E8。
陈/ 宇等： 航空发动机轴承失效分析
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合在一起， 形成油泥。与此同时， 在离心力的作用 下， 石墨油泥逐渐附着在轴承保持架外径与外圈 内径之间仅 ! ! " # ! ! "$% && （ 单边） 的引导间隙 中， 随着附着物的增加， 起到了刹车垫一样的阻滞 作用， 使轴承保持架和钢球的旋转速度降低。钢 球的公转速度也随之降低， 轴承旋滚比逐渐增大， 钢球与两沟道间的滑动摩擦增大， 摩擦生热增加， 轴承开始升温。而轴承另一端， 润滑油雾仍在不 断被吸入， 轴承仍然维持正常工作。 随着滑动摩擦热的进一步增大， 润滑油雾已 无法带走更多的热量， 轴承温升加剧； 轴承的温升 反过来又开始破坏已经形成的润滑油膜， 出现局 部钢对钢的干摩擦， 产生的热量越来越多， 恶性循
GHHI$%%% . (/#+ 轴承 ! +%%/ 年 " 期 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! JI0$ . $$03 5 &’ -K<478F +%%/ ， IL) "
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航空发动机轴承失效分析
陈! 宇， 郦敏洁
（ 贵州天马虹山轴承有限公司 ， 贵州! 安顺! "#$%%% ） 摘要： 对某型航空发动机失效轴承各个部件进行了外观检测、 材质检验、 能谱分析、 金相分析及硬度检测， 在此 基础上， 对轴承的失效过程进行了分析， 分析结论和检测结果一致， 从而印证了轴承的失效是由于石墨环随动 圈的磨损， 使得大量石墨颗粒进入沟道， 与润滑油形成油泥， 阻滞轴承滚动， 引起轴承发热， 润滑失效， 最后导致 轴承失效。 关键词： 滚动轴承； 润滑； 失效分析； 磁性密封圈； 石墨环随动圈 中图分类号： &’$(() (( ； &*$") +$ , $! ! ! 文献标志码： -! ! ! 文章编号： $%%% . (/#+ （ +%%/ ） %" . %%++ . %0
图 +% 磨损区显微组织 （ ,&& - ）
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* ! ’% 硬度检查 故障轴承内圈硬度为 ’( ! + . ’+ ! & /01； 外圈 保持架硬度为 !$! . !$" 硬度为 ,’2 3 . ,3 /01 ； /4&2 , 。内、 外圈硬度梯度见表 ! 。钢球硬度梯度见 表 *。 由表 ! 和表 * 可知： 钢球及内圈的过热层已 透过零 件 的 整 个 截 面， 现有硬度大大低于设计 要求。 * ! 3% 材质检查和能谱分析 故障轴承零件材质经化学分析符合 5617!, 钢相应技术条件要求。 钢球、 内外圈及保持架表面的粘附物经能谱 分析， 未发现有外来的异金属。外圈内径引导表 面的粘附物经能谱分析为 保 持 架 上 的 镀 银 层 磨 损物。
万方数据
’% 失效过程分析
依据对轴承外观、 金相、 硬度、 材质等检查的 结果， 对该轴承失效过程分析如下： 由于轴承保持架正常高速 在 3 9 试车前半期， 旋转的泵吸作用， 润滑油雾在轴承内形成了正常 的润滑油膜， 钢球在沟道上基本为纯滚动， 轴承工 作正常， 温升正常。随后， 由于石墨环随动圈安装 倾斜或翘曲， 增大了摩擦磨损量； 或磁性密封圈与 随动圈紧固不当， 相对滑动增加， 导致石墨环随动 圈与磁性密封圈之间的相对运动增加， 摩擦加剧， 石墨环磨损， 从而产生大量石墨粉末。由于石墨 粉末不能在短时间有效排除， 泵吸作用将石墨粉 末吸附到轴承靠磁性密封圈一端， 并和润滑油混
./ 结束语
由失效分析可知， 轴承的失效是由于石墨环 随动圈的磨损， 使得大量石墨颗粒进入沟道， 与润 滑油形成油泥， 阻滞轴承滚动， 引起轴承发热， 导 致润滑失效， 最后造成轴承失效。 因此在轴承的安装中， 一定要确保各个部件 的位置精度。同时， 系统设计应充分考虑轴承的 润滑状况， 要确保既能形成良好的工作润滑油膜， 又能带走正常工作产生的热量， 避免轴承发热。 如果轴承安装位置不可避免会产生污物， 系 统设计应考虑如何对轴承进行防尘、 密封保护， 避 免污物被吸入轴承而导致故障发生。 参考文献：
图 &" 内圈沟道凹坑周围金相组织 （ &## ) ）
图 ," 内圈沟道次表层金相组织 （ ( ### ) ）
图 $" 钢球 " 面表层的金相组织 （ &## ) ）
内圈沟道严重过热层呈月牙形分布， 其组织 为网状 ! 铁素体 * 屈氏体 * 珠光体； 沟道凹坑周 围为 ! 铁素体及氧化物带， 沿变形方向分布； 次表 层为二次淬火马氏体 * 残余奥氏体 * 珠光体 * 网 状 ! 铁素体； 其他为粒状碳化物 * 珠光体 * 屈氏 体， 分别见图 + % 图 , 。 外圈表面为粒状碳化物 * 屈氏体， 基体为局 部 粒状碳化物 * 隐晶马氏体 （ 图- ） 。 沟道局部有 万方数据
图 +" 内圈沟道的金相组织 （ ( ### ) ）
图 !" " 面附近的高温氧化物带 （ &## ) ）
腐蚀后观察显微组织， " 面表层为珠光体 * 沿 变形方向呈纤维状分布的网状 ! 铁素体 （ 图 $） ； 次表层为针状二次淬火马氏体 * 残余奥氏体； 里 层为粒状碳化物 * 球状珠光体。 " 面端头呈涡旋 状， 折叠部位表层为网状铁素体 * 沿变形方向分 布的珠光体。
轴承内部摩擦产生的巨大热量在金属粒子间 迅速大量 传 递， 主 机 的 橡 胶 密 封 圈 开 始 硬 化、 碎 裂、 碳化， 并在后续的旋转过程中逐渐被碾成粉 末。此时， 虽然保持架和钢球公转速度下降， 但仍 在以一定的速度旋转， 橡胶圈的粉末也被泵吸到 轴承靠磁性密封圈一端， 并在离心力作用下逐步 进入狭小的轴承引导间隙之间。于是， 附着物的 刹车作用更加突出， 保持架和钢球公转速度进一 步下降， 逐渐趋近于零。由于石墨粉末和橡胶圈 碳化粉末混合物比较细微、 柔软， 且有少量润滑油 搅拌在一起， 不会对套圈和保持架引导面造成划 伤， 这就反映出故障轴承保持架外径镀银层完好， 外圈内径正常， 无硬物划伤的特征。 保持架和钢球公转速度趋近于零， 意味着轴 承系统旋滚比无限增大， 钢球的运动已由滚动为 主， 变为以滑动为主。滑动摩擦产生的巨大热量 将大部分吸入轴承内部的润滑油油雾瞬间气化， 这就是轴承靠油雾进口一端只有少量高温润滑油 着色的原因。 在几乎无油状态下， 滑动工作的轴承温度猛 增， 附着在保持架表面及引导间隙间的石墨粉末 和橡胶圈碳化粉末的混合物迅速干涸， 保持架和 钢球已完全停止公转。此时， 钢球温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高到退 火温度以上， 钢球变软， 在径向载荷的作用下， 嵌 入内圈沟道被迫做速度为 ’ !!! ( ) &*+ 的相对滑 动， 很快形成了分解后所见到的磨光部位的形状， 万方数据
一完整白亮色粘结层， 宽 ! ! " ##， 厚 !$ !#。 % % 保持架内、 外圆表面镀层厚度为 & ! &’ ##， 内 孔表面镀层有挤压磨损 （ 图 (） ， 显微组织为 ! ) （ ! ) "* ） 共析体 （ 图 +） 。
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图 (% 保持架兜孔内表面镀层磨损区 （ ,&& - ）
距表面距离 " ## &! ! &! $ !! ! !! $ *! ! *! $ ’! ! ’! $ 3! !
表 *% 钢球的硬度
已磨损区 " /4&2 , 3,( ,!* 3"& 33* 3*$ 3&* ’(! ’,( ’!$ ’&3 未磨损区 8 /4&2 , 3!’ ’’" ’’3 ’*! ’!! ’&( ’&, ’&$ ’&& ’*&
! ! 某型号轴承随发动机试车 0 1， 正常停车后主 机系统密 封 部 位 漏 油， 分 解 检 查 发 现： 后轴承失 效， 主机密封用橡胶圈碳化， 石墨环磨损。本文对 此故障失效机理进行分析。
+! 后轴承检查
+ # $! 外观检查 分解后的轴承总体形态完好， 没有发生保持 架断裂、 钢球破碎等现象。内、 外圈工作表面、 安 装配合表面均无严重磨损 或 疲 劳 导 致 的 剥 落 现 象。但安装轴承位置的齿轮内花键槽则有明显的 高温着色痕迹。石墨环约 % # 0" 66 的凸出部分， 现已全被磨平， 轴承靠磁性密封圈一端表面被一 层沥青状油污覆盖， 外圈与保持架之间没有明显 的旋转运动间隙； 而内圈与保持架之间有明显的 旋转运动间隙。轴承靠油雾进口一端表面光洁。 轴承外圈沟道形状保持完好， 沟边无明显轴 向受力工作痕迹， 沟底有轻微高温粘着现象， 基本 呈金属光泽带微蓝色， 外圆柱面呈高温发蓝色。 轴承内圈沟道形状基本保持完好， 局部有凹 坑， 沟道两边无轴向受力工作痕迹， 沟底和沟边均 有金属高温粘着现象， 沟底较严重， 并伴有大面积 光亮辗压痕迹。沟道表面呈黑灰色； 其他表面呈 高温蓝黑色。
保持架外形及表面镀银层基本保持完好， 局 部位置有片状高温润滑油着色痕迹。保持架外径 引导面磨损痕迹正常， 无异常硬物划伤现象。保 持架兜孔内有撞击和磨损痕迹， 并伴有少量高温 金属粘着物。 所有钢球直径减小并严重变形， 有过热变色 痕迹， 部分表面被磨平。严重磨损的光亮部位形 状与内圈沟道形状十分吻合， 从磨光部位的表面 特征来看是与内圈沟道发 生 严 重 滑 动 摩 擦 的 结 果。被磨光的部位正对的球面上有与外圈沟道发
图 -" 外圈表层金相组织 （ ( ### ) ）
・ *3・
《 轴承》 *&&"2 :2 , 表 !% 套圈的硬度
距沟道面 距离 " ## &! ! &! 3 &! " !! & !! ’ !! $ !! + *! * 心部 外% 圈 3&( ’(& 3!* 33& 3,3 3$+ 3"3 3(, 3&& ’(3 3!+ 33* 3$* 3"’ 3"" 3(( ,&3 ’*$ ’!+ ’!3 ’*! ’’! ’(, ’(, /4& ! , 内% 圈 ’3, ’** ’’* ’*" ’!& ’$3 ’(, ’+" 3(! 33* 3,3 ’+, ’!3 *++ *+! *(& ’!! *"( *"! *"& ’*’ ’"3 ’(& ’+*
万方数据
陈" 宇等： 航空发动机轴承失效分析
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生往复摩擦产生的小面积亮斑； 其余部位呈高温 氧化色 （ 黑色） 。 ! ! !" 金相检查 通过对钢球的光亮部位取样抛光后观察， 其 截面为栗子形， 外形一个面已磨成平面， 令其为 " 面。附近的高温氧化物带呈层状分布， 表层为浅 灰色氧化带， 厚度为 # ! #$ % # ! #& ’’， 次表层为深 灰色密集的点状氧化物带， 厚度为 # ! ( ’’ （ 图 !） 。 其中一端氧化物沿金属流线呈涡旋折叠转入基体 中， 其余圆弧表面氧化物呈点状分布。
与内圈沟道完全吻合， 并在内圈沟道上留下大量 高温粘着表象特征。在此前后， 轴承工作系统会 发出异常声。 钢球在与内圈沟道做快速相对滑动的同时， 不断撞击保持架兜孔内壁， 留下了磨损痕迹和少 量高温金属粘着特征； 钢球的另一面与外圈沟道 不停地在原地往复滑动摩擦， 形成了小面积亮斑。 这一失效过程时间很短， 估计仅有 , # -! &*+。 在这一过程中钢球温度最高， 内圈次之， 外圈 温度最低。内圈比钢球温度低的原因是它能够把 热量迅速传递给齿轮轴 （ 这与齿轮内花键槽有明 显的高温着色痕迹相对应） ； 外圈本身发热量就 小， 且能够把热量迅速传递到壳体， 所以其温度就 更低。在正常停车后， 润滑油迅速回流淹没轴承， 对钢球和内圈进行了二次淬火， 从而使得钢球和 内圈硬度都存在由心部向表面递增， 且次表层为 二次淬火的组织特征。而润滑油对外圈进行了退 火， 硬度由心部向表面递减。同时， 润滑油回流淹 没轴承后又使本来已经干涸的、 附着在保持架表 面及引导间隙间的石墨粉末和橡胶圈碳化粉末混 合物变为沥青状油污。
$! 后轴承工况
轴承安装位置如图 $ 所示。
图 $! 安装位置图
图中后轴承为本次失效轴承， 其左面为润滑 油油雾进口， 右面为磁性密封圈等系统密封装置。 工作时， 外圈静止， 内圈转速为 ! 2 3 %%% 4 5 678； 单 面油雾自由飘入润滑； 工作温度 " 9 $"% :［ $］。
收稿日期： +%%# . $$ . +/ ； 修回日期： +%%/ . %+ . $+ 作者简介： 陈! 宇， 总工程师， 技术开发部部长， 高级工程 师， 主管产品设计及产品质量等。 ; . 6<7=： >?@<@A BCD=7E) F>) E8。
陈/ 宇等： 航空发动机轴承失效分析
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合在一起， 形成油泥。与此同时， 在离心力的作用 下， 石墨油泥逐渐附着在轴承保持架外径与外圈 内径之间仅 ! ! " # ! ! "$% && （ 单边） 的引导间隙 中， 随着附着物的增加， 起到了刹车垫一样的阻滞 作用， 使轴承保持架和钢球的旋转速度降低。钢 球的公转速度也随之降低， 轴承旋滚比逐渐增大， 钢球与两沟道间的滑动摩擦增大， 摩擦生热增加， 轴承开始升温。而轴承另一端， 润滑油雾仍在不 断被吸入， 轴承仍然维持正常工作。 随着滑动摩擦热的进一步增大， 润滑油雾已 无法带走更多的热量， 轴承温升加剧； 轴承的温升 反过来又开始破坏已经形成的润滑油膜， 出现局 部钢对钢的干摩擦， 产生的热量越来越多， 恶性循
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陈! 宇， 郦敏洁
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万方数据
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依据对轴承外观、 金相、 硬度、 材质等检查的 结果， 对该轴承失效过程分析如下： 由于轴承保持架正常高速 在 3 9 试车前半期， 旋转的泵吸作用， 润滑油雾在轴承内形成了正常 的润滑油膜， 钢球在沟道上基本为纯滚动， 轴承工 作正常， 温升正常。随后， 由于石墨环随动圈安装 倾斜或翘曲， 增大了摩擦磨损量； 或磁性密封圈与 随动圈紧固不当， 相对滑动增加， 导致石墨环随动 圈与磁性密封圈之间的相对运动增加， 摩擦加剧， 石墨环磨损， 从而产生大量石墨粉末。由于石墨 粉末不能在短时间有效排除， 泵吸作用将石墨粉 末吸附到轴承靠磁性密封圈一端， 并和润滑油混
./ 结束语
由失效分析可知， 轴承的失效是由于石墨环 随动圈的磨损， 使得大量石墨颗粒进入沟道， 与润 滑油形成油泥， 阻滞轴承滚动， 引起轴承发热， 导 致润滑失效， 最后造成轴承失效。 因此在轴承的安装中， 一定要确保各个部件 的位置精度。同时， 系统设计应充分考虑轴承的 润滑状况， 要确保既能形成良好的工作润滑油膜， 又能带走正常工作产生的热量， 避免轴承发热。 如果轴承安装位置不可避免会产生污物， 系 统设计应考虑如何对轴承进行防尘、 密封保护， 避 免污物被吸入轴承而导致故障发生。 参考文献：
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内圈沟道严重过热层呈月牙形分布， 其组织 为网状 ! 铁素体 * 屈氏体 * 珠光体； 沟道凹坑周 围为 ! 铁素体及氧化物带， 沿变形方向分布； 次表 层为二次淬火马氏体 * 残余奥氏体 * 珠光体 * 网 状 ! 铁素体； 其他为粒状碳化物 * 珠光体 * 屈氏 体， 分别见图 + % 图 , 。 外圈表面为粒状碳化物 * 屈氏体， 基体为局 部 粒状碳化物 * 隐晶马氏体 （ 图- ） 。 沟道局部有 万方数据
图 +" 内圈沟道的金相组织 （ ( ### ) ）
图 !" " 面附近的高温氧化物带 （ &## ) ）
腐蚀后观察显微组织， " 面表层为珠光体 * 沿 变形方向呈纤维状分布的网状 ! 铁素体 （ 图 $） ； 次表层为针状二次淬火马氏体 * 残余奥氏体； 里 层为粒状碳化物 * 球状珠光体。 " 面端头呈涡旋 状， 折叠部位表层为网状铁素体 * 沿变形方向分 布的珠光体。
轴承内部摩擦产生的巨大热量在金属粒子间 迅速大量 传 递， 主 机 的 橡 胶 密 封 圈 开 始 硬 化、 碎 裂、 碳化， 并在后续的旋转过程中逐渐被碾成粉 末。此时， 虽然保持架和钢球公转速度下降， 但仍 在以一定的速度旋转， 橡胶圈的粉末也被泵吸到 轴承靠磁性密封圈一端， 并在离心力作用下逐步 进入狭小的轴承引导间隙之间。于是， 附着物的 刹车作用更加突出， 保持架和钢球公转速度进一 步下降， 逐渐趋近于零。由于石墨粉末和橡胶圈 碳化粉末混合物比较细微、 柔软， 且有少量润滑油 搅拌在一起， 不会对套圈和保持架引导面造成划 伤， 这就反映出故障轴承保持架外径镀银层完好， 外圈内径正常， 无硬物划伤的特征。 保持架和钢球公转速度趋近于零， 意味着轴 承系统旋滚比无限增大， 钢球的运动已由滚动为 主， 变为以滑动为主。滑动摩擦产生的巨大热量 将大部分吸入轴承内部的润滑油油雾瞬间气化， 这就是轴承靠油雾进口一端只有少量高温润滑油 着色的原因。 在几乎无油状态下， 滑动工作的轴承温度猛 增， 附着在保持架表面及引导间隙间的石墨粉末 和橡胶圈碳化粉末的混合物迅速干涸， 保持架和 钢球已完全停止公转。此时， 钢球温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高到退 火温度以上， 钢球变软， 在径向载荷的作用下， 嵌 入内圈沟道被迫做速度为 ’ !!! ( ) &*+ 的相对滑 动， 很快形成了分解后所见到的磨光部位的形状， 万方数据
一完整白亮色粘结层， 宽 ! ! " ##， 厚 !$ !#。 % % 保持架内、 外圆表面镀层厚度为 & ! &’ ##， 内 孔表面镀层有挤压磨损 （ 图 (） ， 显微组织为 ! ) （ ! ) "* ） 共析体 （ 图 +） 。
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图 (% 保持架兜孔内表面镀层磨损区 （ ,&& - ）
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! ! 某型号轴承随发动机试车 0 1， 正常停车后主 机系统密 封 部 位 漏 油， 分 解 检 查 发 现： 后轴承失 效， 主机密封用橡胶圈碳化， 石墨环磨损。本文对 此故障失效机理进行分析。
+! 后轴承检查
+ # $! 外观检查 分解后的轴承总体形态完好， 没有发生保持 架断裂、 钢球破碎等现象。内、 外圈工作表面、 安 装配合表面均无严重磨损 或 疲 劳 导 致 的 剥 落 现 象。但安装轴承位置的齿轮内花键槽则有明显的 高温着色痕迹。石墨环约 % # 0" 66 的凸出部分， 现已全被磨平， 轴承靠磁性密封圈一端表面被一 层沥青状油污覆盖， 外圈与保持架之间没有明显 的旋转运动间隙； 而内圈与保持架之间有明显的 旋转运动间隙。轴承靠油雾进口一端表面光洁。 轴承外圈沟道形状保持完好， 沟边无明显轴 向受力工作痕迹， 沟底有轻微高温粘着现象， 基本 呈金属光泽带微蓝色， 外圆柱面呈高温发蓝色。 轴承内圈沟道形状基本保持完好， 局部有凹 坑， 沟道两边无轴向受力工作痕迹， 沟底和沟边均 有金属高温粘着现象， 沟底较严重， 并伴有大面积 光亮辗压痕迹。沟道表面呈黑灰色； 其他表面呈 高温蓝黑色。
保持架外形及表面镀银层基本保持完好， 局 部位置有片状高温润滑油着色痕迹。保持架外径 引导面磨损痕迹正常， 无异常硬物划伤现象。保 持架兜孔内有撞击和磨损痕迹， 并伴有少量高温 金属粘着物。 所有钢球直径减小并严重变形， 有过热变色 痕迹， 部分表面被磨平。严重磨损的光亮部位形 状与内圈沟道形状十分吻合， 从磨光部位的表面 特征来看是与内圈沟道发 生 严 重 滑 动 摩 擦 的 结 果。被磨光的部位正对的球面上有与外圈沟道发
图 -" 外圈表层金相组织 （ ( ### ) ）
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《 轴承》 *&&"2 :2 , 表 !% 套圈的硬度
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万方数据
陈" 宇等： 航空发动机轴承失效分析
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生往复摩擦产生的小面积亮斑； 其余部位呈高温 氧化色 （ 黑色） 。 ! ! !" 金相检查 通过对钢球的光亮部位取样抛光后观察， 其 截面为栗子形， 外形一个面已磨成平面， 令其为 " 面。附近的高温氧化物带呈层状分布， 表层为浅 灰色氧化带， 厚度为 # ! #$ % # ! #& ’’， 次表层为深 灰色密集的点状氧化物带， 厚度为 # ! ( ’’ （ 图 !） 。 其中一端氧化物沿金属流线呈涡旋折叠转入基体 中， 其余圆弧表面氧化物呈点状分布。