Table 1. M50鋼和GCr15鋼軸承試驗(yàn)件參數(shù)
| 名稱 | 材料 | 內(nèi)徑/mm | 外徑/mm | 厚度/mm | 滾動(dòng)體數(shù)量 |
|---|---|---|---|---|---|
| 試驗(yàn)軸承 | M50鋼 | 45 | 75 | 16 | 18 |
| 陪試軸承 | GCr15鋼 | 45 | 75 | 16 | 12 |
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心動(dòng)力裝置，其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，而滾動(dòng)軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，并長(zhǎng)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(dòng)軸承發(fā)生故障，將直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全和可靠性。因此，對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)及診斷具有重要意義[1-2]。目前常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、油液監(jiān)測(cè)技術(shù)等，其中聲發(fā)射技術(shù)雖然對(duì)早期故障診斷有一定的敏感性，但在信號(hào)處理及解釋方面難度較大，實(shí)際應(yīng)用也較為困難。振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及油液監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)，對(duì)于用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行故障診斷的研究還較少，且每種監(jiān)測(cè)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(guò)采集并分析滾動(dòng)軸承試驗(yàn)過(guò)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(cè)。
1. 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
選擇與某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)相似型號(hào)的軸承進(jìn)行試驗(yàn)，軸承材料有兩種，分別為8Cr4Mo4V（以下簡(jiǎn)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。
Table 2. M50鋼和GCr15鋼軸承的化學(xué)成分
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cr | Mo | V | Si | Mn | C | Fe | |
| 試驗(yàn)軸承實(shí)測(cè)值 | 4.02 | 4.23 | 1.02 | 0.13 | 0.11 | 0.77 | 余量 |
| 陪試軸承實(shí)測(cè)值 | 1.61 | — | — | 0.23 | 0.28 | 0.98 | 余量 |
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)采用滾動(dòng)軸承加速度疲勞試驗(yàn)器模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷工況，對(duì)軸承磨損狀態(tài)進(jìn)行油液分析及振動(dòng)監(jiān)測(cè)。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(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等部分組成。疲勞試驗(yàn)器共有4個(gè)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(hào)工位，帶有尺寸為16 mm×1.5 mm×0.2 mm（長(zhǎng)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(hào)工位。為保證試驗(yàn)完整性，在第3號(hào)工位安裝無(wú)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(guò)程中，為及時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件的磨損情況，前期每6 h采集檢測(cè)一次潤(rùn)滑油試樣，振動(dòng)突變后每4 h采集檢測(cè)一次，每12 h檢查一次磁堵上的磨損顆粒。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)載荷、振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)超限終止試驗(yàn)。目視觀察試驗(yàn)件外觀，通過(guò)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(cè)潤(rùn)滑油磨損元素，采用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀對(duì)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(rùn)滑油光譜分析
對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的潤(rùn)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(shì)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(kāi)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(rùn)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(rùn)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(dòng)超限停機(jī)。除Fe元素外，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(shì)。
圖 4 潤(rùn)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(kāi)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(duì)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(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)。對(duì)比兩種軸承疲勞磨損顆粒首次出現(xiàn)的時(shí)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(shuō)明后者抗疲勞及耐磨損的性能更好。對(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知：在試驗(yàn)件的整個(gè)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(shuō)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(shuō)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(bào)道的耐磨性能測(cè)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
Table 3. 潤(rùn)滑油油路中疲勞磨損顆粒檢測(cè)結(jié)果
| 試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間/h | 檢測(cè)結(jié)果 | 最大顆粒尺寸/（μm×μm） |
|---|---|---|
| 72 | GCr15鋼顆粒、無(wú)M50鋼顆粒 | GCr15鋼顆粒最大尺寸為150×100 |
| 120 | GCr15鋼顆粒、少量M50鋼顆粒 | GCr15鋼顆粒最大尺寸為350×250，M50鋼顆粒最大尺寸為100×50 |
| 156 | 大量GCr15鋼顆粒、少量M50鋼顆粒 | GCr15鋼顆粒最大尺寸為1 000×300，M50鋼顆粒最大尺寸為200×100 |
| 240 | 少量GCr15鋼顆粒、少量M50鋼顆粒 | M50鋼顆粒最大尺寸為350×250 |
| 314（試驗(yàn)結(jié)束） | 大量M50鋼顆粒 | M50鋼顆粒最大尺寸為500×250 |
Table 4. 試驗(yàn)進(jìn)行120 h后GCr15鋼軸承顆粒能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |
|---|---|---|
| Fe | Cr | |
| 譜圖19 | 97.89 | 2.11 |
| 譜圖27 | 98.66 | 1.34 |
Table 5. 試驗(yàn)進(jìn)行120 h后M50鋼軸承顆粒能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||
|---|---|---|---|---|
| Fe | Cr | Mo | V | |
| 譜圖14 | 93.05 | 3.67 | 3.01 | 0.28 |
| 譜圖15 | 90.25 | 4.40 | 4.39 | 0.96 |
Table 6. 試驗(yàn)進(jìn)行156 h后GCr15鋼軸承顆粒能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |
|---|---|---|
| Fe | Cr | |
| 譜圖3 | 98.79 | 1.21 |
| 譜圖4 | 98.98 | 1.02 |
Table 7. 試驗(yàn)進(jìn)行156 h后M50鋼軸承顆粒能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||
|---|---|---|---|---|
| Fe | Cr | Mo | V | |
| 譜圖1 | 92.04 | 3.84 | 3.38 | 0.74 |
| 譜圖43 | 90.63 | 4.52 | 4.13 | 0.72 |
圖 9 兩種軸承疲勞磨損顆粒尺寸與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系
2.4 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析
試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖10可知：在試驗(yàn)第150 h后，振動(dòng)有效值有顯著增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)镚Cr15鋼陪試軸承損壞影響了試驗(yàn)臺(tái)的平均振動(dòng)有效值。在試驗(yàn)進(jìn)行156 h時(shí)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(shí)，平均振動(dòng)的有效值發(fā)生突變，表明M50鋼試驗(yàn)軸承開(kāi)始損壞，此后有效值又有變小的趨勢(shì)，且在試驗(yàn)進(jìn)行約296 h時(shí)有效值達(dá)到局部最小值，說(shuō)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(dòng)速率表現(xiàn)為迅速加快，直到達(dá)到報(bào)警閾值。
圖 10 試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)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(shì)最明顯，F(xiàn)e元素是有效監(jiān)測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)而增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)。
結(jié)合振動(dòng)及能譜分析發(fā)現(xiàn)，基于光譜分析的磨損監(jiān)測(cè)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(rùn)滑油中，同時(shí)，在試驗(yàn)進(jìn)行150 h后振動(dòng)有效值有顯著增大的趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)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(shí)才逐漸增大。同理，M50鋼軸承在試驗(yàn)進(jìn)行到285 h時(shí)發(fā)生振動(dòng)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(kāi)始逐漸增大，這進(jìn)一步說(shuō)明了基于光譜分析的磨損監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(wú)法檢測(cè)出，需要系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn)磨損部位，并能通過(guò)成分分析定位磨損部位，如在試驗(yàn)進(jìn)行到70 h后振動(dòng)突變，在磁堵取樣中已能檢測(cè)出顆粒，證實(shí)了磨損的發(fā)生，并通過(guò)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(shuō)明的是，對(duì)于顆粒能譜分析監(jiān)測(cè)技術(shù)，需要較高頻率的取樣檢測(cè)才能及時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)監(jiān)測(cè)[11-13]。
最后，振動(dòng)監(jiān)測(cè)可及時(shí)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(dòng)數(shù)據(jù)也會(huì)趨于穩(wěn)定，不利于磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
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(shì)最明顯，是有效監(jiān)測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)而增大，顆粒數(shù)量隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)。
（3）光譜分析的磨損監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滯后于實(shí)際運(yùn)行工況，在實(shí)際磨損監(jiān)測(cè)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(shí)發(fā)現(xiàn)磨損，避免故障劣化。
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