航空發動機是飛機的核心動力裝置，其安全可靠運行至關重要，而滾動軸承是航空發動機機械系統中的關鍵部件，并長期在高溫、高載荷、高轉速的工況下運行，易發生磨損劣化，一旦滾動軸承發生故障，將直接影響航空發動機的運行安全和可靠性。因此，對滾動軸承運行狀況進行監測及診斷具有重要意義[1-2]。目前常用的監測技術包括振動監測技術、聲發射技術、油液監測技術等，其中聲發射技術雖然對早期故障診斷有一定的敏感性，但在信號處理及解釋方面難度較大，實際應用也較為困難。振動監測技術及油液監測技術應用廣泛，在很多領域都是研究熱點[3-8]。但目前研究最多的是單項監測技術，對于用多種監測技術進行故障診斷的研究還較少，且每種監測技術具有局限性，不能全面準確地反映設備的磨損狀態。筆者通過采集并分析滾動軸承試驗過程中油液及磁堵中的磨損顆粒試樣，實現了軸承試驗件磨損狀態的監測。 

1.   試驗材料與方法

1.1   試驗材料

選擇與某型號發動機相似型號的軸承進行試驗，軸承材料有兩種，分別為8Cr4Mo4V（以下簡稱M50）鋼及GCr15鋼。其中M50鋼軸承為試驗軸承，為加速軸承磨損試驗進程，M50鋼軸承帶有初始缺陷，GCr15鋼軸承為陪試軸承，兩種材料軸承試驗件的參數如表1所示，其化學成分如表2所示。 

1.2   試驗方法

試驗采用滾動軸承加速度疲勞試驗器模擬航空發動機軸承的高溫、高轉速、高載荷工況，對軸承磨損狀態進行油液分析及振動監測。疲勞試驗器外觀如圖1所示。由圖1可知：疲勞試驗器主要由試驗頭、試驗頭座、傳動系統、潤滑系統、采集系統等部分組成。疲勞試驗器共有4個軸承安裝工位，具體安裝方式如圖2所示，M50鋼試驗軸承安裝在第2號工位，帶有尺寸為16 mm×1.5 mm×0.2 mm（長度×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號工位。為保證試驗完整性，在第3號工位安裝無缺陷的M50鋼軸承試驗件。 

圖  1  疲勞試驗器外觀

圖  2  疲勞試驗器安裝方式示意

根據某型號發動機潤滑系統軸承服役工況，固定轉速為12 000 r/min，試驗載荷最高施加4.2 kN。試驗過程中，為及時監測試驗件的磨損情況，前期每6 h采集檢測一次潤滑油試樣，振動突變后每4 h采集檢測一次，每12 h檢查一次磁堵上的磨損顆粒。同時對試驗載荷、振動數據進行實時監測和采集。 

2.   試驗結果與分析

試驗進行314 h后，因振動超限終止試驗。目視觀察試驗件外觀，通過體視顯微鏡觀察試驗件損傷宏觀形貌，采用原子發射光譜儀檢測潤滑油磨損元素，采用熱場發射掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀對磨損顆粒[9]進行分析。 

2.1   宏觀觀察

試驗后M50鋼試驗軸承宏觀形貌如圖3所示。內滾道靠近初始缺陷處有明顯磨損，軸承內圈外表面預置缺陷處發生疲勞剝落，面積約為62 mm2，表面有輕微劃痕。 

圖  3  試驗后M50鋼試驗軸承宏觀形貌

2.2   潤滑油光譜分析

對試驗過程中采集的潤滑油試樣進行光譜分析，結果如圖4所示。由圖4可知：Fe元素的質量分數變化趨勢最明顯，分析認為這與軸承中Fe元素為主要成分有關。從試驗開始至140 h，Fe元素質量分數緩慢升高，之后趨于降低，這是因為試驗初期為磨合期，少量磨損顆粒進入潤滑油中，出現了典型的局部“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鋼陪試軸承在試驗進行156 h后徹底損壞，大量磨損顆粒進入潤滑油中。之后更換GCr15鋼陪試軸承，隨著試驗進行，Fe元素質量分數又趨于下降，直至約305 h后，Fe元素質量分數急劇上升至1.597×10−6，遠高于初始值0.232×10−6，314 h后振動超限停機。除Fe元素外，整個試驗過程中Cr、Mo、Cu等元素的質量分數均呈現與Fe元素相似的變化趨勢。 

圖  4  潤滑油試樣光譜分析結果

2.3   掃描電鏡及能譜分析

試驗開始后，每12 h采集一次試驗器磁堵上的鐵磁性磨損顆粒，對其進行掃描電鏡及能譜分析，部分典型SEM形貌如圖5~8所示，詳細檢測結果如表3所示，能譜分析結果如表4~7所示。不同階段采集的疲勞磨損顆粒形貌特征類似，主要為輪廓不規則的片狀顆粒，表面平坦光亮。但是，顆粒尺寸隨試驗時間的延長逐漸增大，顆粒數量隨試驗時間的延長呈現增多的趨勢。對比兩種軸承疲勞磨損顆粒首次出現的時間，可以發現GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒在試驗進行72 h后出現，M50鋼軸承疲勞磨損顆粒在試驗進行120 h后出現，說明后者抗疲勞及耐磨損的性能更好。對比兩種軸承疲勞磨損顆粒的尺寸，發現在同一試驗時間條件下，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的尺寸遠大于M50鋼軸承疲勞磨損顆粒，比如在試驗進行到120 h時，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，在試驗進行到156 h時，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時間的關系如圖9所示。由圖9可知：在試驗件的整個壽命周期內，GCr15鋼軸承疲勞磨損顆粒的尺寸增大速率遠大于M50鋼軸承，說明出現磨損后M50鋼軸承劣化速率比GCr15鋼軸承慢，進一步說明M50鋼軸承在加速疲勞試驗中的抗疲勞及耐磨性能優于GCr15鋼軸承。該現象與相關文獻報道的耐磨性能測試中GCr15鋼磨耗量約為M50鋼的1.5倍相符。 

圖  5  試驗進行120 h后GCr15鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  6  試驗進行120 h后M50鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  7  試驗進行156 h后GCr15鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  8  試驗進行156 h后M50鋼軸承顆粒SEM形貌

圖  9  兩種軸承疲勞磨損顆粒尺寸與試驗時間的關系

2.4   振動數據分析

試驗過程中試驗機監測數據如圖10所示。由圖10可知：在試驗第150 h后，振動有效值有顯著增大的趨勢，這是因為GCr15鋼陪試軸承損壞影響了試驗臺的平均振動有效值。在試驗進行156 h時更換了陪試軸承，此后徑向載荷從1.6 kN分段增大至4.45 kN。在試驗進行約285 h時，平均振動的有效值發生突變，表明M50鋼試驗軸承開始損壞，此后有效值又有變小的趨勢，且在試驗進行約296 h時有效值達到局部最小值，說明試驗件初始磨損程度較輕，試驗器適應工況后再次平穩運轉。此后，試驗件在高應力作用下，初始磨損處的損傷累積達到一定程度后，疲勞剝落加劇，振動速率表現為迅速加快，直到達到報警閾值。 

圖  10  試驗過程中試驗機監測數據

3.   綜合分析

光譜分析結果表明，在試驗周期中，Fe元素含量的變化趨勢最明顯，Fe元素是有效監測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則片狀，表面平坦光亮，顆粒尺寸隨試驗時間的延長而增大，顆粒數量隨試驗時間的延長呈現增多的趨勢。 

結合振動及能譜分析發現，基于光譜分析的磨損監測結果滯后于實際運行工況，如試驗運行156 h后，GCr15鋼軸承損壞，大量磨損顆粒進入潤滑油中，同時，在試驗進行150 h后振動有效值有顯著增大的趨勢，進一步說明了系統出現故障，但Fe元素質量分數在試驗進行到160 h時才逐漸增大。同理，M50鋼軸承在試驗進行到285 h時發生振動突變，但Fe元素質量分數直至試驗進行到300 h后才開始逐漸增大，這進一步說明了基于光譜分析的磨損監測存在滯后現象，這可能是因為試驗中所用的電感耦合等離子原子發射光譜儀檢測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，而試驗過程中故障多為疲勞剝落，剝落顆粒尺寸多大于5 μm，光譜分析設備無法檢測出，需要系統繼續運轉一段時間。在運轉過程中，部分大尺寸顆粒被進一步磨損為小尺寸顆粒，導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可及時發現磨損部位，并能通過成分分析定位磨損部位，如在試驗進行到70 h后振動突變，在磁堵取樣中已能檢測出顆粒，證實了磨損的發生，并通過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。但需要說明的是，對于顆粒能譜分析監測技術，需要較高頻率的取樣檢測才能及時監測到磨損。所以現在很多機械系統安裝了在線磨損顆粒監測傳感器，以實現及時監測[11-13]。 

最后，振動監測可及時發現故障，但需要拆機檢查才能確定故障部位，并且機械系統適應磨損工況后，即使磨損依然存在，振動數據也會趨于穩定，不利于磨損狀態的監測。 

4.   結論

（1）軸承試驗中，Fe元素在試驗周期中的含量變化趨勢最明顯，是有效監測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則的片狀顆粒，表面平坦光亮，顆粒尺寸隨試驗時間的延長而增大，顆粒數量隨試驗時間的延長呈現增多的趨勢。 

（3）光譜分析的磨損監測數據滯后于實際運行工況，在實際磨損監測中還需結合其他技術手段，比如能譜分析技術，以定位磨損部位，及時發現磨損，避免故障劣化。 

文章來源——材料與測試網