航空电机轴承故障分析与改进措施

潘永生，高 翔，孙慧广

（1. 海军驻哈尔滨地区航空军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150060；2. 中国航发哈尔滨轴承有限公司，黑龙江 哈尔滨150025；3.中国人民解放军驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150036）

航空电机轴承故障分析与改进措施

潘永生1，高 翔2，孙慧广3

（1. 海军驻哈尔滨地区航空军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150060；2. 中国航发哈尔滨轴承有限公司，黑龙江 哈尔滨150025；3.中国人民解放军驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150036）

针对某型航空交流发电机轴承故障形貌特征，分别从结构参数、材料、润滑脂性能及填脂量等4个方面对轴承损坏的原因进行了排查和分析。结果表明，润滑不良是导致轴承失效的主要原因。通过采取相应的改进措施，取得了良好效果。

密封轴承；结构参数；润滑不良；填脂量

1 前言

航空交流发电机用轴承多采用接触式密封结构的深沟球轴承，主要承受电机工作时的载荷，对电机的工作性能、寿命及可靠性等均有很大影响。轴承故障将直接影响电机运行，轻者噪声变大，温度升高；重者轴承烧毁，电机空停断电，甚至会导致机毁人亡的重大事故。

通过对某型航空电机故障轴承进行各项检验，分析了轴承失效原因，并提出了针对性的改进措施。

2 故障特征

某型航空电机在地面试验后盘桨检查时，发现电机出现卡滞现象，分解后确认电机前端的62206-2RS轴承运转卡滞，外观异常。轴承套圈和钢球材料均为GCr15轴承钢，保持架材料为酚醛胶布管，密封圈材料为丁腈橡胶，内部装填7017-1号高低温润滑脂。

故障轴承内圈端面高温变蓝，密封圈轻微褶皱，未发生损坏。拆除密封件发现保持架出现断裂现象，移开断裂块保持架内部已损坏，内、外套圈滚道呈乌灰色，沟形尚好无明显的剥落和刮蹭痕迹，钢球均呈灰黑色，有卡滞过程中产生的划痕和剥落，局部表面有润滑脂结焦，见图 1。

图1 轴承内部及钢球形貌

3 故障检测

3.1 尺寸检测

因故障轴承出现卡滞且保持架断裂，无法进行成品项目的旋转精度及径向游隙检测工作，因此只对轴承零件开展了相关的检测，检测结果表明，轴承套圈尺寸无明显超差，钢球直径和相互差超差较为明显，说明该轴承工作过程中出现了高温变形和严重磨损。

3.2 硬度检测

轴承零件的硬度对疲劳寿命和耐磨性能有很大的影响，因此硬度值是衡量轴承质量的一项重要指标。选取套圈沟道部位和 3 粒钢球工作表面进行检测，测 3 点取平均值，检测结果见表 1。

表1 套圈硬度检测结果 HRC

由表 1 可知，内圈硬度值变小，沟底位置，即滚道工作区域硬度值最低55HRC，外圈硬度值最低56HRC，钢球表面硬度36～44HRC，心部硬度46HRC。沟道和钢球的硬度有较大程度的降低，表明经历了高温。

3.3 金相组织

分别切取故障轴承内、外圈轴向试样及1#钢球试样，磨抛腐蚀后用金相显微镜进行观察，内、外圈滚道表面均可见烧伤层，见图2a、图2b；与外圈心部相比，内圈心部的碳化物明显较多，见图2c、图2d，说明内圈心部受到了热影响。

图2 套圈的金相组织形貌

1#钢球表面腐蚀后有明显的颜色变化，最表层是白亮层，然后是黑区，再是白色过渡区，最后是与心部一致的黑色区。白亮层里可以看到有细小裂纹存在，见图 3；白色过渡区，钢球经过高温影响心部组织发生转变，无法评级。滚道和钢球表面未见剥落特征，说明轴承从开始出现异常到最终失效经历的时间较短。

图3 钢球的金相组织形貌

3.4 润滑脂检测

轴承需要润滑才能长期良好地运转，油脂失效将会导致轴承迅速损坏。内部润滑脂的检测对故障分析具有重要作用。对润滑脂进行测定，结果见表 2。结果表明，润滑脂主要混入了磨损物以及烃类物质，导致润滑脂结焦后失去了润滑作用。

表2 润滑脂检测结果

综合以上检验结果可知，若是轴承损坏引起的故障，一般情况下润滑脂不会短时间内结焦，但润滑失效会导致轴承短时间内高温故障，使润滑脂结焦。因此，故障与润滑不良有很大关系。

4 机理分析

航空电机轴承多采用脂润滑方式，工况条件下，润滑不良主要与油膜厚度不足、润滑脂寿命不足、填脂量过高以及油膜承载能力不足有关。

4.1 油膜厚度

在一定载荷和速度条件下，钢球和滚道接触区内的润滑脂可以形成一定厚度的油膜，最小油膜厚度h0计算式为[1]：

式中：

U——两个相互滚动接触面的平均速度，mm/s；

Rx——球在公转方向的等效半径，mm；

P——最大赫兹应力，kg/mm2；

E——弹性模量，MPa；

k、i、f——常数。

为了使钢球和滚道间的油膜厚度大到足以完全隔开钢球和滚道，通常使油膜比厚λ＞3，计算式为[2]：

式中：

h0——最小油膜厚度，mm；

S1——滚道表面的方均根粗糙度，mm；

S2——钢球表面的方均根粗糙度，mm。

由上述公式求得λ外=6，λ内=5.3，说明理论上轴承是全油膜润滑状态。为了保证计算结果的可靠性，采用电阻法对润滑状态进行了试验验证，见图 4。

图4 采用电阻法测量轴承润滑状态

结果表明，轴承在工况条件下电阻值连续、稳定，说明轴承在全油膜润滑条件下运转，与计算结果一致。

4.2 润滑脂使用寿命

目前，对润滑脂使用寿命计算的研究较少，所有方法均是基于某一条件下的试验结果得到的经验公式。

为了掌握较为真实的润滑脂寿命状态，对12套此轴承进行了寿命试验，结果均在600～650h发生抱轴现象。经检验，润滑脂均结焦，其他无异常，说明在工况条件下，润滑脂的使用寿命约为600h，与使用寿命要求接近。

4.3 填脂量

较高转速下，填脂量过高会被挤出，发生搅拌后轴承过热，最终导致失效。该轴承填脂量为60%，为了验证工况下填脂量是否合理，按文献[3]方法，分别对60%、50%、35%填脂量进行了温升试验，结果见图 5。

结果表明，填脂量为60%时温升接近80℃，填脂量为35%时，温升仅为40℃ ，说明该轴承填脂量过高。

图5 填脂量与温升的关系

4.4 润滑脂承载能力对轴承寿命的影响

载荷对润滑脂寿命的影响非常显著，可以采用经验公式对同一种润滑脂的使用寿命进行估算，计算式如下[1]：

式中：

N——轴承转速，r/min；

nmax——对应润滑脂下轴承的极限转速，r/ min；

T——轴承温度，℃；

P——当量载荷，kN；

C——额定载荷，kN。

可以看出，润滑脂的使用寿命随载荷的增大而减少。采用不同极压剂的润滑脂承载能力不同，故综合考虑润滑脂的极压性能可以有更长的使用寿命。

轴承装填的7017-1润滑脂由脲类化合物稠化硅油制成，具有良好的化学稳定性和耐热性。由于硅油不能与极压剂和抗磨剂相溶，导致这类脂的耐负荷能力和耐磨损能力较差。经计算，在该型轴承工况条件下，与其他承载能力较强的润滑脂相比，使用寿命较少，如图 6。一旦飞行任务增多，轴承受到频繁地启动、俯冲及着陆等冲击载荷（30G，G：重力加速度）影响，会缩减润滑脂的使用寿命。因此，提升润滑脂的承载能力是关键。

图6 不同承载能力润滑脂的计算寿命

4.5 沟曲率对润滑脂使用寿命的影响

轴承工作时，滚道与球之间的接触应力越大，润滑脂的使用寿命越短[1]。基于钢球和滚道的形状，承载时形成图 7 所示的椭圆形接触面。

图7 钢球与滚道接触椭圆

根据赫兹接触理论，接触椭圆的长轴a（mm）和短轴b（mm）可通过下式求得：

式中：

Q——载荷（N）；

ρ——接触物体的主曲率；

μ和ν——两物体接触区的尺寸系数。

可以看出，曲率与椭圆面积（S=πab）成反比，即曲率越小，接触椭圆面积越大[4]。

该轴承采用传统设计参数，内、外圈沟曲率分别为0.515和0.525，由公式

可知，外圈与钢球的最大接触应力pm为1 796MPa，内圈与钢球的pm为2 091MPa。

按工况条件计算，当套圈沟曲率均为0.515时，外圈与钢球的最大接触应力p′m为1 599MPa，内圈与钢球的p′m为1 859MPa，分别改进了10.9%和11.1%。通过COBRA软件计算，润滑脂使用寿命提高了27%。

5 改进措施与验证

根据上述分析结果，提出如下改进措施。

（1）润滑脂由7017-1号高低温润滑脂更改为7014号宽温航空润滑脂。

（2）填脂量由60%更改为35%。

（3）内、外圈沟曲率参数由0.515/0.525改为0.515/0.515。

为验证分析结论的正确性及措施的有效性，对 4 套改进后的轴承在工况条件下进行寿命试验考核，结果如下：

（1）根据4.2节内容，改进前轴承均在600～650h发生抱轴，无法转动。4套改进后轴承均一次性通过2 000h寿命试验考核，试验过程中，轴承均无异常情况。试验后检验，旋转灵活，无异常。

（2）工况条件下，改进前轴承温升最高为170℃，波动较大；改进后轴承温升最高为94℃，波动较小，见图 8。

图8 轴承改进前后寿命试验结果

6 结论

（1）润滑不良是导致轴承失效的主要原因。

（2）填脂量过多会导致轴承温升过高，影响使用寿命。

（3）异常载荷及沟曲率参数对润滑脂使用寿命影响较大。

（4）通过采取相应的改进措施后，再未出现类似问题，表明措施有效。

[1]PietM.Lugt.Grease Lubrication in Rolling Bearings [M]. Netherlands：A John Wiley & Sons, Ltd.,2013.

[2]T.A.harris. 滚动轴承分析[M].罗继伟,译.北京：机械工业出版社,2009.

[3]JB/T 8571-2008，滚动轴承 密封深沟球轴承防尘、漏脂、温升性能试验规程[S].

[4]冈本纯三.球轴承的设计计算[M].黄志强,译.北京：机械工业出版社,2003.

（编辑：王立新）

Fault analysis and improvement measures of aeromotor bearing

Pan Yongsheng1, Gao Xiang2, Sun Huiguang3

( 1. Military Representative Office of Navy Aviation in Harbin Area, Harbin 150060, China; 2. AECC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025 ,China; 3. Military Representative Office of PLA in HRB Bearing Group Corporation, Harbin 150036, China )

According to the fault characteristics of the bearing for a certain type of aviation AC generator, the reasons of the bearing damage are analyzed from four aspects, including the structural parameters, material, the performance and the filling amount of the grease. The results show that the bad lubrication is the main cause of the failure of the bearing, and good results have been achieved by taking the corresponding improvement measures.

sealed bearing; structural parameters; bad lubrication; filling amount of grease

TH133.33+1

B

1672-4852（2016）04-0010-04

2016-10-16.

潘永生（1978—），男，工程师.