涡轮增压器为废气驱动型,它利用柴油机排出的高温高压废气驱动涡轮作动力,通过压气轮压缩空气以提高柴油机的进气效率从而大大提高柴油机的输出功率。它采用轴向布置,涡壳中间水冷,在主轴的两端采用轴承结构,由于承受较大的轴向载荷在压气端BS采用双排向心推力滚珠轴承,采用铝合金保持架,为减少轴承径向和轴向的震动还布置了径向和轴向减震弹簧;涡轮端TS采用单列向心滚柱轴承,采用铜合金保持架;其中BS轴承为主要轴向受力端,TS轴承为支撑端仅承受径向载荷。
损坏的BS双排轴承,其中一个轴承的铝合金保持器已完全破断,另一个轴承尚残存少量铝合金保持架,钢球完整,内圈和径向减震弹簧片局部有明显的蓝色的氧化色。检查其径向和轴向减震弹簧发现其定位突缘处受撞击撕裂,其断口为剪切断裂。这是由于增压器主轴高速偏心旋转,运动件间的间隙失控所为。BS轴承总程中的减震弹簧并未丧失其功能,弹簧片表面均有润滑油膜。拆解检查TS轴承表明,虽然12个滚珠中有8个磨损严重,但铜合金保持架完整。从BS轴承油腔内收集到的200多克的残骸及碎屑中,可以明显发现有铝合金保持架的碎块。
尺寸较大的BS轴承铝合金保持架的三角形碎块和随机备件新的轴承铝合金保持架,经切割后分别各取2件试样,进行材料分析。扫描电镜分析用扫描电镜(SEM)观察保持架碎块及新轴承保持架试样,测试仪器为日本产JXA-840A电子探针显微分析仪,结果如下。
(1)轴承保持架材料均为Al-Cu-Fe-Ni合金,具有高强、耐热的特点。
(2)电镜观察发现保持架碎块A端面的表面分布有较严重的微裂纹,碎块断口边缘可观察到铝合金的疏松缺陷;由于涡轮增压器的压气端BS轴承承受较大的轴向载荷,其保持架与钢球的相互高速运转、接触,使保持架处在交变应力的作用下,A端面的微裂纹的扩展将导致保持架的疲劳断裂。
(3)保持架碎块的电子断口形貌为典型的韧窝,表明材料的塑性韧性较好,其最终断裂区是韧性断裂。
(4)新保持架材料中也有较多的夹杂物和疏松。
BS轴承承受较大的轴向交变载荷,轴承的铝合金保持架材料中有较多的夹杂物,在交变应力的作用下生成微裂纹,微裂纹的扩展最终导致保持架的疲劳断裂;材料中的铸造疏松也降低了材料的疲劳强度。BS油泵技术功能正常,分析油泵的结构特点和零件的表面状况,表明油泵没有出现缺油状态。铝合金保持架的疲劳断裂,造成了BS轴承的失效,最终导致了涡轮增压器主轴的严重磨损。