航空滾動軸承失效原因及預(yù)防的研究

文/空軍某部隊飛機(jī)修理廠　朱金華、劉建輝、楊向軍

摘　要：滾動軸承在航空工業(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。通過對滾動軸承的使用進(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　滾動軸承失效的形式

滾動軸承的失效狀態(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，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)計標(biāo)準(zhǔn)，雖然還能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，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

滾動軸承滾動體和滾道有相對運(yùn)動，就會產(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

滾動軸承滾動體和內(nèi)、外圈不停地轉(zhuǎn)動，接觸表面受脈動載荷的反復(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。

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）或間歇擺動時，在較大的沖擊載荷或靜載荷作用下，會使軸承滾道、滾動體接觸點(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，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運(yùn)動的滾動體、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，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，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)計值，燒傷軸承，使軸承滾道、滾動體出現(xiàn)回火現(xiàn)象。

2　滾動軸承失效的原因

通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計有關(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

潤滑和密封對滾動軸承的使用壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)振動等有重要影響，正確使用潤滑劑、研究改進(jìn)密封性能，對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，增加了軸承滾動體和內(nèi)、外圈接觸表面之間的摩擦系數(shù)，至使軸承早期失效。

（2）型號不對。潤滑劑型號不正確或質(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、儀器時沒有更新潤滑劑，加快軸承失效。

（5）密封錯誤。滾動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)。軸承裝配時如不按工藝要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，會使軸承零件損傷、產(chǎn)生變形、同軸度超差，運(yùn)行時產(chǎn)生振動、磨損，降低使用性能、縮短使用壽命。

（2）裝配游隙大。軸承裝配時如游隙過大，滾動體產(chǎn)生較大振動，加劇滾動體和內(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。軸承裝配時如游隙過小，造成滾動體和內(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)動過程中失去原裝備的標(biāo)準(zhǔn)，如不及時維護(hù)、糾正，長時間處于非正常狀態(tài)下運(yùn)行，容易造成軸承早期失效。

3　滾動軸承失效的預(yù)防 

航空領(lǐng)域中，滾動軸承按使用環(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。在裝配使用時按要求正確啟封軸承，把封存時的潤滑劑清洗干凈，重新添加新的潤滑劑；目視檢查滾動體有無麻點(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。堅決杜絕不合格產(chǎn)品裝機(jī)使用。

3.2 提高滾動軸承的安裝質(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，同時要保證合理的軸承間隙，如果裝配不當(dāng)，則可能會使軸承各零件造成損傷，影響軸承的使用性能、壽命。

3.3 保持滾動軸承的良好潤滑

潤滑質(zhì)量的好壞，直接關(guān)乎滾動軸承是否能夠正常運(yùn)行，對軸承的密封、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)的潤滑脂均會對軸承運(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、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)是減小滾動軸承磨損、腐蝕、膠合等失效的有效措施。

3.4 做好滾動軸承的維護(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)控滾動軸承的有效運(yùn)行

對工作中的軸承進(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)）