高频摆动自润滑关节轴承故障分析与改进验证

陆超, 苏文文, 刘红宇,2

(1.上海市轴承技术研究所，上海 201801;2.上海特种轴承工程技术中心，上海 201801)

1 概述

织物自润滑关节轴承因其良好的耐磨性能及长期免维护的经济性，广泛应用于水利、航空和航天等领域[1-3]。

自润滑关节轴承GE20-1成对安装在飞机某部位阻尼器杆端的两侧，在飞行过程中主要承受阻尼器的径向载荷，可同时实现2个方向的摆动，轴承材料见表1，结构如图1所示。在轴承定期检查过程中，发现1套轴承严重损坏，轴承外观如图2所示，其余同机的3套轴承也不满足“轴向游隙不大于0.25 mm”的设计要求。4套轴承在机使用时间470 h，与其使用寿命要求1 000 h相差甚远，且排查其他飞机上GE20-1轴承的轴向游隙，均有不同程度的轴向游隙超差。

表1 GE20-1轴承材料

GE20-1为参考GB/T 9163—2001《关节轴承 向心关节轴承》E系列设计的向心关节轴承，轴承外形尺寸见表2。

图1 GE20-1轴承结构

图2 故障轴承外观

表2 GE20-1轴承尺寸

2 故障分析

2.1 衬垫微观形貌

通过扫描电镜观察图2中衬垫的磨损情况，发现不同位置衬垫的磨损不一，杆端侧衬垫磨损程度较严重，其微观形貌如图3所示。由图可知，杆端侧衬垫纤维磨损严重，衬垫编织结构已不可辨别，衬垫在轴承使用工况下的耐磨损性能不佳。

图3 杆端侧衬垫微观形貌

2.2 远离杆端侧衬垫能谱分析

由于杆端侧衬垫磨损严重，故未进行能谱分析。对远离杆端侧衬垫进行能谱分析，结果如图4所示，分析结果见表3。

图4 远离杆端侧衬垫的能谱分析

表3 远离杆端侧衬垫的能谱分析结果

图4中可清晰观察到纤维的编织方式，远离杆端处衬垫比杆端侧衬垫(图3)磨损较轻，说明衬垫存在偏磨。

由表3中各种元素的百分比可知：衬垫摩擦表面存在少量Cr元素，说明衬垫与内圈球面镀硬铬层对磨过程中，球面镀硬铬层磨损、脱落并保留在摩擦面。

2.3 内圈球面镀硬铬层的厚度

对内圈球面镀硬铬层的形貌进行微观结构观察，如图5所示。

图5 内圈球面镀硬铬层SEM图片

由图5可知：a端镀硬铬层磨损较轻，厚度剩10～11 μm；b端镀硬铬层已快磨穿，厚度仅剩1～2 μm。说明该使用工况下，内圈球面涂层单边磨损严重，涂层的耐磨损性能需进一步提升。

2.4 小结

经轴承故障分析发现：在使用工况下，衬垫和内圈球面镀硬铬层耐磨损性能不佳，且均出现了偏磨现象，磨损严重处表现为衬垫磨穿和镀硬铬涂层仅剩1～2 μm。需改善衬垫和内圈球面涂层的耐磨损性能，以提升轴承的磨损寿命。

镀硬质合金硬度[5-8]达1 200～1 400 HV，且硬度层可增至0.1 mm以上，能保证内圈球面有足够厚度的耐磨涂层。改进原CD1#衬垫的编织结构[9]和复合纤维中聚四氟乙烯(PTFE)的含量，增加摩擦面PTFE的含量，改进后衬垫编号为CD2#，CD3#，衬垫信息见表4。

表4 衬垫信息

3 改进试验

3.1 试验方案

3.1.1 试验轴承

通过筛选、组合后确定的试验轴承信息见表5。

表5 GE20轴承信息

3.1.2 试验参数

根据轴承使用工况，确定试验参数见表6，要求轴承在径向载荷下可实现绕x轴和z轴摆动。

表6 试验参数

3.2 试验方法

3.2.1 试验设备

磨损试验在高频摆动磨损试验机(图6)上进行，试验机系统由加载系统、摆动系统、传感系统等组成。

图6 高频摆动试验机

3.2.2 操作步骤

1)将试验轴承安装在工装杆端座孔内，如图6所示，在轴承内外圈端面做好标记，记录轴承外圈、内圈及杆端座孔之间的相对位置，以保证拆装后对磨面始终不变；

2)将试验轴承与试验轴配合后安装在试验台上；

3)调试设备，设置试验参数，对轴承施加18 kN的径向载荷，保压15 min，随后按表6中的试验参数开启摆动磨损试验。

3.2.3 判定依据

1)验证试验：轴承磨损100 h后轴向游隙不大于0.05 mm；

2)寿命试验：轴承磨损1 500 h后轴向游隙不大于0.25 mm。

3.2.4 数据采集要求

1)试验前，检测并记录轴承轴向游隙；

2)开始试验后，每完成100 h磨损试验，检测轴承轴向游隙。

3.3 试验结果

3.3.1 100 h验证试验

100 h验证试验前后轴承轴向游隙见表7，试样状态如图7所示。

表7 100 h磨损后轴承的轴向游隙

图7 100 h磨损后内圈球面外貌

由表7和图7可知：

1)原轴承GE20-1经100 h磨损后轴向游隙超标，改进轴承GE20-2，GE20-3的轴向游隙合格，GE20-2的轴向游隙最小；

2)内圈球面镀硬铬层已出现磨损，且形成了明显磨痕，而硬质合金层球面光亮仅有少量擦痕，耐磨性能较好。

经100 h验证试验，GE20-2轴承性能最佳，故筛选GE20-2进行寿命试验。

3.3.2 1 500 h寿命试验

完成2套GE20-2(3#，4#)轴承的1 500 h磨损寿命试验，绘制轴承轴向游隙随时间的变化曲线(图8)，试验后轴承如图9所示。

图8 GE20-2轴承轴向游隙的变化曲线

图9 1 500 h磨损后3#GE20-2轴承内圈球面外貌

1)经1 500 h寿命试验后,2套GE20-2轴承轴向游隙均满足不大于0.25 mm的使用要求，且试验的重复性较好。

2)试验后内圈球面有一定宽度的磨痕，无手感深度，球面光亮，涂层耐磨性良好。

3.3.3 飞机使用对比

根据客户要求，改进后轴承需满足“飞行300 h轴向游隙不大于0.25 mm”的要求。为进一步验证改进效果，对8套GE20-1，GE20-2轴承分别进行了300 h装机试验(GE20-1轴承飞行200 h轴向游隙已超标，停止试验)，具体试验数据见表8。

表8 改进前后GE20轴承轴向游隙

绘制改进前后轴承游隙概率密度函数，如图10所示，求得轴向游隙为0.25 mm时概率值(概率密度曲线的积分)分别为F1=0.067和F2=1。

图10 轴承轴向游隙概率密度函数

说明轴承GE20-1仅有6.7%可通过“使用200 h、轴向游隙不大于0.25 mm”的要求，GE20-2可100%通过“使用300 h轴向游隙不大于0.25 mm”的要求。轴承磨损性能显著提升，且轴向游隙数据离散性降低，改进效果明显。

4 结论

1)GE20-1轴承改进前内圈球面镀硬铬层和衬垫耐磨性能不佳，磨损过程中出现偏磨现象。

2)内圈球面采用硬质合金涂层和改进衬垫CD2#的轴承GE20-2，在验证试验中100 h磨损性能最佳，1 500 h磨损下满足轴向游隙不大于0.25 mm的要求，可作为轴承改进件。

3)轴承GE20-2可100%通过“飞行300 h轴向游隙不大于0.25 mm”的要求。