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航空滾動(dòng)軸承失效原因及預(yù)防的研究
發(fā)布時(shí)間：2023-03-31
文/空軍某部隊(duì)飛機(jī)修理廠 朱金華、劉建輝、楊向軍
摘 要：滾動(dòng)軸承在航空工業(yè)中主要起著支撐傳輸部件的作用，處于高載荷、高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境中。通過對(duì)滾動(dòng)軸承的使用進(jìn)行研究，分析失效的原因，指出在使用過程中保證滾動(dòng)軸承受載均勻，按工藝要求裝配軸承，采取可靠的潤滑密封手段，制定預(yù)防失效的措施，才能有效延長軸承使用壽命，為確保航空安全提供有力技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：航空軸承；失效形式；原因分析；預(yù)防措施
0 引言
航空滾動(dòng)軸承精度要求高，使用環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)條件苛刻，主要使用在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、泵體和操縱系統(tǒng)中，其質(zhì)量狀況直接影響著飛機(jī)各系統(tǒng)的可靠性。軸承在使用過程中由于本身質(zhì)量和外部條件等原因，喪失原設(shè)計(jì)功能，導(dǎo)致故障事故或者不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。在實(shí)際工作使用中，如安裝調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)不高，有碰撞損傷、潤滑和維護(hù)不良，發(fā)生故障隱患排除不及時(shí)等現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承的過早損傷、破壞，稱為早期失效。通過收集早期失效軸承的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行探索研究，找出失效原因，提出預(yù)防措施，有效提高軸承的使用壽命和可靠性。
1 滾動(dòng)軸承失效的形式
滾動(dòng)軸承的失效狀態(tài)，可分為止轉(zhuǎn)失效和喪精失效兩種。止轉(zhuǎn)失效是指軸承有突發(fā)情況，因喪失工作能力而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如裂紋、卡死等。喪精失效是指零件基本尺寸、表面精度在使用中發(fā)生變化，配合間隙超出原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，雖然還能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但屬非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如磨損、燒傷、腐蝕等。失效形式主要有以下八種。
1.1 磨損失效
滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體和滾道有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生磨損。當(dāng)污物、砂塵或剝落的鐵屑進(jìn)入潤滑劑，就會(huì)阻止?jié)L道面的油膜形成，加劇磨損發(fā)生。持續(xù)的磨損導(dǎo)致軸承不能正常工作，稱為軸承的磨損失效。
1.2 疲勞點(diǎn)蝕失效
滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸表面受脈動(dòng)載荷的反復(fù)作用，在表面下一定深度處產(chǎn)生疲勞裂紋，形成疲勞點(diǎn)蝕，致使軸承不能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)。
1.3 腐蝕失效
軸承各金屬零件表面同環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，造成的表面損傷、失效稱為腐蝕失效。表現(xiàn)形式是生銹或化學(xué)腐蝕。
1.4 塑性變形失效
當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速很低（n<10 r/min）或間歇擺動(dòng)時(shí)，在較大的沖擊載荷或靜載荷作用下，會(huì)使軸承滾道、滾動(dòng)體接觸點(diǎn)的局部應(yīng)力超過材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形。持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致軸承塑性變形失效。
1.5 剝落失效
承受較大載荷而又相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)體、滾道接觸表面，由于反復(fù)承受載荷，使金屬表層成片狀剝落，導(dǎo)致剝落失效。
1.6 斷裂失效
軸承零件斷裂將會(huì)造成突發(fā)性失效事故。由于裝配、使用維護(hù)和保養(yǎng)不當(dāng)，潤滑密封不良、進(jìn)入雜物等原因，軸承組成零件發(fā)生斷裂、破碎，造成軸承斷裂失效。
1.7 電蝕失效
受修理手段所限，在航空器的設(shè)備上需要進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，由于焊接電流通過設(shè)備上所安裝的軸承，引起軸承表面擊傷，造成電蝕失效。
1.8 燒傷失效
軸承內(nèi)、外圈的滾道或滾動(dòng)體表面和保持架在旋轉(zhuǎn)中，由于急劇發(fā)熱直至變色、軟化、熔敷和破損，稱為燒傷失效。在承受載荷時(shí)，如潤滑不良、潤滑油質(zhì)量差、潤滑油混有異物、裝配不正確等因素造成溫度高于設(shè)計(jì)值，燒傷軸承，使軸承滾道、滾動(dòng)體出現(xiàn)回火現(xiàn)象。
2 滾動(dòng)軸承失效的原因
通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有關(guān)資料表明，引起軸承早期失效的主要因素占比為：負(fù)荷過重占9%，潤滑不充分占32%，污染物占16%，安裝調(diào)試占13%，維護(hù)不當(dāng)占22%，其他占8%。
2.1 潤滑和密封不當(dāng)造成的失效分析
潤滑和密封對(duì)滾動(dòng)軸承的使用壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)等有重要影響，正確使用潤滑劑、研究改進(jìn)密封性能，對(duì)軸承的可靠性和使用壽命是至關(guān)重要的，若出現(xiàn)問題易造成表面膠合、磨損、腐蝕、氣蝕、燒傷等失效。
（1）產(chǎn)品超期。如使用過期而變質(zhì)的、含有雜質(zhì)的潤滑劑潤滑時(shí)，增加了軸承滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈接觸表面之間的摩擦系數(shù)，至使軸承早期失效。
（2）型號(hào)不對(duì)。潤滑劑型號(hào)不正確或質(zhì)量低劣，達(dá)不到潤滑的目的，加快軸承失效。
（3）注入量少。潤滑劑量注入量過少，潤滑的作用不充足，產(chǎn)生干摩擦，造成發(fā)熱，從而加快軸承疲勞點(diǎn)蝕和磨損，使軸承失效。
（4）流失變質(zhì)。儀器?設(shè)備長時(shí)間封存、停放未用，造成潤滑劑流失或凝固變質(zhì)，在重新啟用設(shè)備、儀器時(shí)沒有更新潤滑劑，加快軸承失效。
（5）密封錯(cuò)誤。滾動(dòng)軸承密封形式不合理、施工手段不正確：淤雜物、砂塵、水、化學(xué)劑等污染物侵入軸承內(nèi)部，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加劇磨損；于潤滑劑流失，失去潤滑作用。
2.2 安裝不當(dāng)造成的失效分析
如安裝方法、手段不正確，就達(dá)不到安裝精度，軸承將會(huì)在不正常的狀態(tài)下運(yùn)行?大大降低了軸承原有的精度、壽命和性能，造成早期失效。多數(shù)軸承失效形式都與安裝有直接關(guān)系。
（1）裝配不標(biāo)準(zhǔn)。軸承裝配時(shí)如不按工藝要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，會(huì)使軸承零件損傷、產(chǎn)生變形、同軸度超差，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、磨損，降低使用性能、縮短使用壽命。
（2）裝配游隙大。軸承裝配時(shí)如游隙過大，滾動(dòng)體產(chǎn)生較大振動(dòng)，加劇滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈滾道的沖擊，產(chǎn)生塑性變形、甚至永久變形，加快軸承早期失效。
（3）裝配游隙小。軸承裝配時(shí)如游隙過小，造成滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道之間產(chǎn)生摩擦，致使磨損加劇、溫度升高，易出現(xiàn)燒傷、卡死現(xiàn)象。
（4）配合間隙大。裝配過程中，軸承內(nèi)圈與傳動(dòng)軸、外圈與軸承座孔配合間隙過大，使裝配精度下降，容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)爬行現(xiàn)象，使配合表面磨損加劇，旋轉(zhuǎn)精度下降。
（5）配合間隙小。裝配過程中，軸承內(nèi)圈與傳動(dòng)軸、外圈與軸承座孔配合間隙過小，如果進(jìn)行強(qiáng)力裝配，易造成內(nèi)外圈變形，甚至裂紋、折斷，造成軸承失效。
2.3 維護(hù)不當(dāng)造成的失效分析
堅(jiān)持日常保養(yǎng)、定期維護(hù)是延長軸承使用壽命的重要手段，否則易造成軸承的磨粒磨損、腐蝕、塑性變形等失效形式，縮短軸承的使用壽命。
（1）潤滑脂使用。使用潤滑脂潤滑的方式，長時(shí)間不維護(hù)、不檢查，易使密封形式破壞，造成潤滑脂流失，如不能及時(shí)加入所需潤滑脂，形成干摩擦；其次是容易進(jìn)入灰塵、雜物、化合物，使軸承加快磨損，造成早期失效。
（2）潤滑油使用。使用潤滑油潤滑的方式，長時(shí)間不維護(hù)、不檢查，密封容器有缺陷，潤滑油漏掉，刮油環(huán)、油泵等起不到給軸承供油的作用，形成干摩擦，造成軸承早期失效。
（3）外力載荷影響。軸承受載荷和外力的影響，運(yùn)動(dòng)過程中失去原裝備的標(biāo)準(zhǔn)，如不及時(shí)維護(hù)、糾正，長時(shí)間處于非正常狀態(tài)下運(yùn)行，容易造成軸承早期失效。
3 滾動(dòng)軸承失效的預(yù)防
航空領(lǐng)域中，滾動(dòng)軸承按使用環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)和使用期限更換易損件。但通過大數(shù)據(jù)調(diào)查分析，很多軸承失效時(shí)沒有達(dá)到預(yù)期的使用壽命。因此，制定以下有效措施來延長軸承的使用壽命，預(yù)防早期失效。
3.1 嚴(yán)把滾動(dòng)軸承的產(chǎn)品質(zhì)量
質(zhì)量關(guān)口要前移，加大軸承生產(chǎn)環(huán)節(jié)的跟蹤監(jiān)督和質(zhì)量檢測，確保成品各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格的跟蹤監(jiān)督和質(zhì)量檢測是預(yù)防軸承早期失效的重要手段。在裝配使用時(shí)按要求正確啟封軸承，把封存時(shí)的潤滑劑清洗干凈，重新添加新的潤滑劑；目視檢查滾動(dòng)體有無麻點(diǎn)和變色，內(nèi)、外圈有無磨損、腐蝕點(diǎn)，保持架是否扭曲、斷裂。堅(jiān)決杜絕不合格產(chǎn)品裝機(jī)使用。
3.2 提高滾動(dòng)軸承的安裝質(zhì)量
軸承的壽命差異除了取決于材質(zhì)、制造精度之外，還取決于裝配工藝。軸承裝配過程中，應(yīng)依據(jù)軸承結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)、尺寸精度、配合精度而采用相應(yīng)的裝配方法，受力點(diǎn)應(yīng)直接加在過盈配合的套圈端面上，同時(shí)要保證合理的軸承間隙，如果裝配不當(dāng)，則可能會(huì)使軸承各零件造成損傷，影響軸承的使用性能、壽命。
3.3 保持滾動(dòng)軸承的良好潤滑
潤滑質(zhì)量的好壞，直接關(guān)乎滾動(dòng)軸承是否能夠正常運(yùn)行，對(duì)軸承的密封、防腐、磨損、散熱、緩和沖擊等諸多因素起到?jīng)Q定性的影響和作用。滾動(dòng)軸承如在工作環(huán)境差、條件惡劣的情況下使用，受交變載荷、沖擊載荷的影響，若選用質(zhì)量不合格的潤滑油、不達(dá)標(biāo)的潤滑脂均會(huì)對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大負(fù)面影響。因而，正確選擇潤滑劑的類型和牌號(hào)、采取科學(xué)的潤滑方法、嚴(yán)格執(zhí)行潤滑操作規(guī)程，保持良好的潤滑效果、潤滑狀態(tài)是減小滾動(dòng)軸承磨損、腐蝕、膠合等失效的有效措施。
3.4 做好滾動(dòng)軸承的維護(hù)保養(yǎng)
采取合理的軸承密封形式，保持良好的密封狀態(tài)，防止?jié)櫥瑒┰谶\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)流失，防止砂塵、雜物、水、化學(xué)劑等污染物侵入，以免降低潤滑效果，加劇軸承的磨損。在日常維護(hù)中，做好清潔工作，盡可能不讓污染物進(jìn)入軸承內(nèi)部。如果發(fā)現(xiàn)軸承潤滑劑流失或被污染，要立即清洗干凈，重新加入干凈潤滑劑，并改善密封條件，確保密封可靠。
3.5 監(jiān)控滾動(dòng)軸承的有效運(yùn)行
對(duì)工作中的軸承進(jìn)行預(yù)測和診斷，是提高軸承可靠性和使用壽命的重要手段。軸承預(yù)測和診斷技術(shù)是與高精密的測試系統(tǒng)和檢測手段聯(lián)系在一起的，振動(dòng)儀、數(shù)字溫度儀、聽診器和其他簡易儀器可幫助維修人員檢出有故障的軸承，使用多種類型的故障監(jiān)測儀進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測，對(duì)準(zhǔn)確測出隱蔽的故障點(diǎn)非常有效。通過先進(jìn)的儀器設(shè)備、方法手段盡早預(yù)測和診斷軸承的運(yùn)行狀態(tài)，采取有效措施提高軸承的可靠性、使用壽命。
4 結(jié)語
在滾動(dòng)軸承失效的分析過程中，通過收集失效大數(shù)據(jù)，反復(fù)探索、研究以獲得正確的數(shù)據(jù)和結(jié)果，找到真正的原因，采取有效措施提高使用性能、延長使用壽命，確保軸承運(yùn)行的可靠性，為保證航空安全助力。
參考文獻(xiàn)略
本文刊登于中國軸協(xié)會(huì)刊《軸承工業(yè)》2022年第8期“技術(shù)前沿”欄目！
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
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