分享：航空發(fā)動機(jī)滾動軸承疲勞試驗(yàn)?zāi)p狀態(tài)監(jiān)測

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的核心動力裝置，其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，而滾動軸承是航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，并長期在高溫、高載荷、高轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行，易發(fā)生磨損劣化，一旦滾動軸承發(fā)生故障，將直接影響航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行安全和可靠性。因此，對滾動軸承運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測及診斷具有重要意義[1-2]。目前常用的監(jiān)測技術(shù)包括振動監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、油液監(jiān)測技術(shù)等，其中聲發(fā)射技術(shù)雖然對早期故障診斷有一定的敏感性，但在信號處理及解釋方面難度較大，實(shí)際應(yīng)用也較為困難。振動監(jiān)測技術(shù)及油液監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用廣泛，在很多領(lǐng)域都是研究熱點(diǎn)[3-8]。但目前研究最多的是單項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)，對于用多種監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行故障診斷的研究還較少，且每種監(jiān)測技術(shù)具有局限性，不能全面準(zhǔn)確地反映設(shè)備的磨損狀態(tài)。筆者通過采集并分析滾動軸承試驗(yàn)過程中油液及磁堵中的磨損顆粒試樣，實(shí)現(xiàn)了軸承試驗(yàn)件磨損狀態(tài)的監(jiān)測。 

1.   試驗(yàn)材料與方法

1.1   試驗(yàn)材料

選擇與某型號發(fā)動機(jī)相似型號的軸承進(jìn)行試驗(yàn)，軸承材料有兩種，分別為8Cr4Mo4V（以下簡稱M50）鋼及GCr15鋼。其中M50鋼軸承為試驗(yàn)軸承，為加速軸承磨損試驗(yàn)進(jìn)程，M50鋼軸承帶有初始缺陷，GCr15鋼軸承為陪試軸承，兩種材料軸承試驗(yàn)件的參數(shù)如表1所示，其化學(xué)成分如表2所示。 

1.2   試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用滾動軸承加速度疲勞試驗(yàn)器模擬航空發(fā)動機(jī)軸承的高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷工況，對軸承磨損狀態(tài)進(jìn)行油液分析及振動監(jiān)測。疲勞試驗(yàn)器外觀如圖1所示。由圖1可知：疲勞試驗(yàn)器主要由試驗(yàn)頭、試驗(yàn)頭座、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等部分組成。疲勞試驗(yàn)器共有4個軸承安裝工位，具體安裝方式如圖2所示，M50鋼試驗(yàn)軸承安裝在第2號工位，帶有尺寸為16 mm×1.5 mm×0.2 mm（長度×寬度×深度）的初始缺陷，缺陷采用線切割方式加工。GCr15鋼陪試軸承安裝在第1、4號工位。為保證試驗(yàn)完整性，在第3號工位安裝無缺陷的M50鋼軸承試驗(yàn)件。 

圖  1  疲勞試驗(yàn)器外觀

圖  2  疲勞試驗(yàn)器安裝方式示意

根據(jù)某型號發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)軸承服役工況，固定轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，試驗(yàn)載荷最高施加4.2 kN。試驗(yàn)過程中，為及時監(jiān)測試驗(yàn)件的磨損情況，前期每6 h采集檢測一次潤滑油試樣，振動突變后每4 h采集檢測一次，每12 h檢查一次磁堵上的磨損顆粒。同時對試驗(yàn)載荷、振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和采集。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)進(jìn)行314 h后，因振動超限終止試驗(yàn)。目視觀察試驗(yàn)件外觀，通過體視顯微鏡觀察試驗(yàn)件損傷宏觀形貌，采用原子發(fā)射光譜儀檢測潤滑油磨損元素，采用熱場發(fā)射掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀對磨損顆粒[9]進(jìn)行分析。 

2.1   宏觀觀察

試驗(yàn)后M50鋼試驗(yàn)軸承宏觀形貌如圖3所示。內(nèi)滾道靠近初始缺陷處有明顯磨損，軸承內(nèi)圈外表面預(yù)置缺陷處發(fā)生疲勞剝落，面積約為62 mm2，表面有輕微劃痕。 

圖  3  試驗(yàn)后M50鋼試驗(yàn)軸承宏觀形貌

2.2   潤滑油光譜分析

對試驗(yàn)過程中采集的潤滑油試樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢最明顯，分析認(rèn)為這與軸承中Fe元素為主要成分有關(guān)。從試驗(yàn)開始至140 h，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢升高，之后趨于降低，這是因?yàn)樵囼?yàn)初期為磨合期，少量磨損顆粒進(jìn)入潤滑油中，出現(xiàn)了典型的局部“浴盆曲線”[10]，之后曲線趨于降低，在160~180 h曲線逐漸上升，這是由于隨著載荷的增大，GCr15鋼陪試軸承在試驗(yàn)進(jìn)行156 h后徹底損壞，大量磨損顆粒進(jìn)入潤滑油中。之后更換GCr15鋼陪試軸承，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)又趨于下降，直至約305 h后，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升至1.597×10−6，遠(yuǎn)高于初始值0.232×10−6，314 h后振動超限停機(jī)。除Fe元素外，整個試驗(yàn)過程中Cr、Mo、Cu等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)與Fe元素相似的變化趨勢。 

圖  4  潤滑油試樣光譜分析結(jié)果

2.3   掃描電鏡及能譜分析

試驗(yàn)開始后，每12 h采集一次試驗(yàn)器磁堵上的鐵磁性磨損顆粒，對其進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，部分典型SEM形貌如圖5~8所示，詳細(xì)檢測結(jié)果如表3所示，能譜分析結(jié)果如表4~7所示。不同階段采集的疲勞磨損顆粒形貌特征類似，主要為輪廓不規(guī)則的片狀顆粒，表面平坦光亮。但是，顆粒尺寸隨試驗(yàn)時間的延長逐漸增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時間的延長呈現(xiàn)增多的趨勢。對比兩種軸承疲勞磨損顆粒首次出現(xiàn)的時間，可以發(fā)現(xiàn)GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒在試驗(yàn)進(jìn)行72 h后出現(xiàn)，M50鋼軸承疲勞磨損顆粒在試驗(yàn)進(jìn)行120 h后出現(xiàn)，說明后者抗疲勞及耐磨損的性能更好。對比兩種軸承疲勞磨損顆粒的尺寸，發(fā)現(xiàn)在同一試驗(yàn)時間條件下，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的尺寸遠(yuǎn)大于M50鋼軸承疲勞磨損顆粒，比如在試驗(yàn)進(jìn)行到120 h時，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的最大尺寸約為350 μm，M50鋼軸承疲勞磨損顆粒的最大尺寸約為100 μm，在試驗(yàn)進(jìn)行到156 h時，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的最大尺寸約為1 000 μm，M50鋼軸承疲勞磨損顆粒的最大尺寸約為200 μm。兩種軸承疲勞磨損顆粒尺寸與試驗(yàn)時間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知：在試驗(yàn)件的整個壽命周期內(nèi)，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的尺寸增大速率遠(yuǎn)大于M50鋼軸承，說明出現(xiàn)磨損后M50鋼軸承劣化速率比GCr15鋼軸承慢，進(jìn)一步說明M50鋼軸承在加速疲勞試驗(yàn)中的抗疲勞及耐磨性能優(yōu)于GCr15鋼軸承。該現(xiàn)象與相關(guān)文獻(xiàn)報道的耐磨性能測試中GCr15鋼磨耗量約為M50鋼的1.5倍相符。 

圖  5  試驗(yàn)進(jìn)行120 h后GCr15鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  6  試驗(yàn)進(jìn)行120 h后M50鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  7  試驗(yàn)進(jìn)行156 h后GCr15鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  8  試驗(yàn)進(jìn)行156 h后M50鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  9  兩種軸承疲勞磨損顆粒尺寸與試驗(yàn)時間的關(guān)系

2.4   振動數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖10可知：在試驗(yàn)第150 h后，振動有效值有顯著增大的趨勢，這是因?yàn)镚Cr15鋼陪試軸承損壞影響了試驗(yàn)臺的平均振動有效值。在試驗(yàn)進(jìn)行156 h時更換了陪試軸承，此后徑向載荷從1.6 kN分段增大至4.45 kN。在試驗(yàn)進(jìn)行約285 h時，平均振動的有效值發(fā)生突變，表明M50鋼試驗(yàn)軸承開始損壞，此后有效值又有變小的趨勢，且在試驗(yàn)進(jìn)行約296 h時有效值達(dá)到局部最小值，說明試驗(yàn)件初始磨損程度較輕，試驗(yàn)器適應(yīng)工況后再次平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。此后，試驗(yàn)件在高應(yīng)力作用下，初始磨損處的損傷累積達(dá)到一定程度后，疲勞剝落加劇，振動速率表現(xiàn)為迅速加快，直到達(dá)到報警閾值。 

圖  10  試驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.   綜合分析

光譜分析結(jié)果表明，在試驗(yàn)周期中，F(xiàn)e元素含量的變化趨勢最明顯，F(xiàn)e元素是有效監(jiān)測軸承磨損情況的元素。軸承疲勞磨損顆粒形貌特征主要為輪廓不規(guī)則片狀，表面平坦光亮，顆粒尺寸隨試驗(yàn)時間的延長而增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時間的延長呈現(xiàn)增多的趨勢。 

結(jié)合振動及能譜分析發(fā)現(xiàn)，基于光譜分析的磨損監(jiān)測結(jié)果滯后于實(shí)際運(yùn)行工況，如試驗(yàn)運(yùn)行156 h后，GCr15鋼軸承損壞，大量磨損顆粒進(jìn)入潤滑油中，同時，在試驗(yàn)進(jìn)行150 h后振動有效值有顯著增大的趨勢，進(jìn)一步說明了系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在試驗(yàn)進(jìn)行到160 h時才逐漸增大。同理，M50鋼軸承在試驗(yàn)進(jìn)行到285 h時發(fā)生振動突變，但Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)直至試驗(yàn)進(jìn)行到300 h后才開始逐漸增大，這進(jìn)一步說明了基于光譜分析的磨損監(jiān)測存在滯后現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)中所用的電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀檢測的是油中溶解的磨損元素，溶解磨損顆粒的尺寸一般不大于5 μm，而試驗(yàn)過程中故障多為疲勞剝落，剝落顆粒尺寸多大于5 μm，光譜分析設(shè)備無法檢測出，需要系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，部分大尺寸顆粒被進(jìn)一步磨損為小尺寸顆粒，導(dǎo)致油中磨損溶解元素增多，元素含量增大。 

其次，基于顆粒能譜分析技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)磨損部位，并能通過成分分析定位磨損部位，如在試驗(yàn)進(jìn)行到70 h后振動突變，在磁堵取樣中已能檢測出顆粒，證實(shí)了磨損的發(fā)生，并通過能譜分析獲得了顆粒的成分信息，定位了磨損部位為GCr15鋼軸承。但需要說明的是，對于顆粒能譜分析監(jiān)測技術(shù)，需要較高頻率的取樣檢測才能及時監(jiān)測到磨損。所以現(xiàn)在很多機(jī)械系統(tǒng)安裝了在線磨損顆粒監(jiān)測傳感器，以實(shí)現(xiàn)及時監(jiān)測[11-13]。 

最后，振動監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)故障，但需要拆機(jī)檢查才能確定故障部位，并且機(jī)械系統(tǒng)適應(yīng)磨損工況后，即使磨損依然存在，振動數(shù)據(jù)也會趨于穩(wěn)定，不利于磨損狀態(tài)的監(jiān)測。 

4.   結(jié)論

（1）軸承試驗(yàn)中，F(xiàn)e元素在試驗(yàn)周期中的含量變化趨勢最明顯，是有效監(jiān)測軸承磨損情況的元素。 

（2）軸承疲勞磨損顆粒形貌特征主要為輪廓不規(guī)則的片狀顆粒，表面平坦光亮，顆粒尺寸隨試驗(yàn)時間的延長而增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時間的延長呈現(xiàn)增多的趨勢。 

（3）光譜分析的磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后于實(shí)際運(yùn)行工況，在實(shí)際磨損監(jiān)測中還需結(jié)合其他技術(shù)手段，比如能譜分析技術(shù)，以定位磨損部位，及時發(fā)現(xiàn)磨損，避免故障劣化。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)