秦明
（海军驻阎良地区航空军事代表室）

　　摘　要：某型飞机关节轴承GE35S在使用过程中发生多起关节轴承内圈碎裂故障，工程中通过采取微观断口失效分析、使用载荷复查、制造工艺复查等进行了原因分析。结果表明轴承存在装球缺口、材质抗疲劳性能差、部分尖角部位引起应力集中等，是造成轴承内圈碎裂的重要影响因素。
　　关键词：关节轴承；内圈碎裂；应力集中；因素 
　　1　概述
　　某型飞机采用的GE35S关节轴承，在使用中多次出现轴承内圈裂纹或碎裂故障。统计所有发生轴承裂纹飞机的飞行起落数从121个起落至1000个起落不等。经分解飞机相关部件和故障轴承检查，该轴承所处结构部件正常，轴承外圈结构完好，排除大的异常载荷引起轴承碎裂的可能性。为发现问题查明原因，将取得的六个故障件分别送专业机构进行了材料分析和断口失效分析，此外还对轴承使用载荷、制造工艺和装配工艺等都进行了复查。
　　2　轴承失效分析
　　2.1 外观检查与断口特征
　　六件问题关节轴承内圈（见图1）表面均存在不同程度开裂，有的碎裂成多个碎块，有的仅形成多条裂纹但未断开，部分内径表面存在周向转动接触痕迹。

　　各关节轴承内圈故障件开裂形貌不一，目视多数裂纹沿内径或球面呈分叉分布，放大镜下观察裂纹断口，断口表面呈灰色，裂纹源均分布在套圈内径油沟处，有3件裂纹起始于内径油沟内的油孔边缘，扫描电镜观察，断口上未发现冶金和加工缺陷，没有疲劳扩展特征，为脆性断裂。
　　2.2 材质及成分分析
　　对六件故障件GE35S关节轴承进行光谱检查，按GJB269-87《航空滚动轴承技术条件》中确定六件轴承内圈的材质符合ZGCr15钢。在失效的轴承内圈上打硬度，硬度值在61.5～63HRC，在产品图样规定硬度（HRC）58.0～64.0的中上限。对失效轴承磨断区高倍检查显微组织，裂纹源处和心部淬回火组织无差异，均符合标准要求。
　　2.3 失效分析结论
　　（1）裂纹源主要位于套圈内径油沟内和油沟内的油孔两侧，该位置恰是内圈结构上易形成应力集中的部位，裂纹源处未见原始冶金缺陷和加工缺陷，材质和组织硬度均符合标准要求，因此，内圈开裂可能与轴承承受到过大冲击载荷及轴承自身结构形成的应力集中有关。
　　（2）由于该型轴承是通用件，未考虑过大的冲击载荷条件，所以该轴承内圈硬度偏高，耐冲击性能减弱，当轴承受到较大冲击载荷时，容易在结构Z薄弱的内径油沟或油孔处出现裂纹，裂纹不能及时发现情况下在冲击载荷作用下Z终导致内圈碎裂。
　　3　设计和制造工艺复查
　　3.1 设计载荷复查
　　该型飞机GE35S关节轴承安装处在真实使用状态下，Z大的拉载荷达158kN，该冲击载荷对轴承安装的调节接头和关节轴承的疲劳载荷影响Z大。在158kN拉载荷作用下，接头根部耳片过渡部位应力Z高。此时轴承上下面受压载作用，由于内圈不易变形基本上保持圆形，轴承外圈和接头耳片受拉后变成椭圆，造成轴承内外圈之间的游隙减小或消失，同时对内圈施加压缩载荷。
　　进一步理论分析表明，一方面由于受载过程中本身就会存在偏心，轴承内圈总是单侧应力偏高，而且在内圈削弱部位会产生应力集中。外场轴承破损件也体现了这一特征（内圈破裂总是倾向于一侧，并且基本上都和内圈削弱部位相关，见图1）。另一方面轴承工作时需要转动127°，由于轴承内圈有削弱部位，在127°这个工作范围内，内圈削弱部位和油槽孔部位都会出现应力集中，因此产生裂纹的部位也就是和这两个高应力部位相关，对这两个应力集中区采取改进措施也有利于提高轴承承载能力。
　　3.2 制造工艺复查
　　多年来GE35S关节轴承质量不稳定，存在个体差异，以往有的轴承在120飞行小时就出现多处穿透性裂纹，而大多数轴承在800飞行小时检查时依然完好无损，部分关节轴承随飞机一直在使用当中又从未出现任何问题。通过对数件轴承的测量，发现内圈润滑用油孔与削弱部位的间距未按Z大值来加工，有的油孔与削弱部位很近，容易引起应力集中。内圈球面上的油槽与削弱部位在加工时与球未做到同心，会导致两侧厚薄不均，也容易在薄的一侧产生裂纹。制造装配工艺检查还发现存在不同批次轴承的内圈硬度值偏差大，游隙大小不同的情况。这种不足可以通过对该关节轴承的生产细节进行改进，包括降低硬度、提高表面加工质量、减小游隙等措施落实来提高产品质量。
　　4　结束语
　　通过轴承故障机理分析，可知原选用的关节轴承内圈裂纹故障的原因为：轴承受力情况复杂，载荷偏大；轴承转动角度偏大；结构形式固有缺陷。而轴承硬度高、脆性大，抗冲击性能差，轴承的这些结构特点在载荷偏大以及可能会有冲击载荷的情况下更容易出现裂纹并进一步导致轴承内圈碎裂。
　　综上所述，工程实际选用时像GE35S关节轴承这种带安装缺口的关节轴承不宜应用于摆动角度过大且载荷偏大并伴有冲击载荷的工作环境。摆动角度大，应尽量选择无装球缺口的轴承，可能有冲击载荷的工作环境，则应不宜选择硬度太高的材料。

来源：《科技创新与应用》2016年12期