黃 超，王 珊

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

石墨軸承是隨著機械設(shè)備的性能要求，在金屬軸承的基礎(chǔ)上開發(fā)并發(fā)展起來的炭質(zhì)軸承[1-2]。炭質(zhì)軸承有不同于金屬軸承的特性，如自潤滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)輕等。在飛機電氣系統(tǒng)電動機中，常使用石墨軸承作為機械滑動基件[3-4]。已有文獻對石墨制零件的故障進行了分析[5-11]，但對于電動機用石墨軸承未見相關(guān)文獻研究。

電動機經(jīng)修理后進行試驗，發(fā)現(xiàn)其信號指示燈不亮。測量發(fā)現(xiàn)黃線和紅線斷路，通電后電機不工作。進行分解檢查發(fā)現(xiàn)，C相電路中溫度保險絲熔斷，石墨軸承斷裂損壞。為查明石墨軸承斷裂原因，對電動機內(nèi)與石墨軸承接觸的相關(guān)零件進行外觀觀察、體視檢查、組織檢查、硬度測試，對石墨軸承的斷口進行微觀分析，找出斷裂原因并提出改進建議，為后續(xù)該類型產(chǎn)品的故障判斷與預(yù)防提供依據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

電動機拆解后發(fā)現(xiàn)石墨軸承斷裂。斷裂位置位于與石墨軸承旁鋁環(huán)處(圖1a)。斷裂后的石墨軸承斷塊呈環(huán)狀，并且除周向斷口外，還有2處徑向斷口(圖1b)。

圖1 電動機及內(nèi)部軸承斷塊外觀Fig.1 Appearance of electromotor and fragment

電動機內(nèi)部轉(zhuǎn)子鋼制端面處有明顯沿周向的磨損痕跡(圖2a)，選取完好定子對比可見鋼制端面無明顯周向磨損痕跡(圖2b)。檢查電動機內(nèi)部定子，一周均發(fā)現(xiàn)銅絲存在明顯燒傷熔化特征(圖2c)。

1.2 體視檢查

對電動機轉(zhuǎn)子的上部鋼制端面進行觀察可見，該端面的磨損均是沿周向分布(圖3a)。放大觀察發(fā)現(xiàn)，端面處磨損痕跡均為熱熔燒蝕特征(圖3b)。

圖2 電動機轉(zhuǎn)子和定子外觀Fig.2 Appearance of electromotor rotor and stator

圖3 電動機轉(zhuǎn)子上端面Fig.3 Upper end face of electromotor rotor

對電動機石墨軸承旁的鋁圓環(huán)端面進行觀察，整個鋁環(huán)端面存在多處損傷(圖4a)。放大觀察可見，損傷處存在孔洞，為明顯熱熔燒蝕痕跡(圖4b)。

對電動機石墨軸承斷裂的環(huán)狀碎塊進行分析，可見：周向斷口存在較多起伏，斷面較粗糙(圖5a)；徑向斷口斷面較為平整，與周向斷口區(qū)別較大(圖5b)。

圖4 電動機鋁環(huán)端面Fig.4 End face of aluminum ring

圖5 石墨軸承碎塊Fig.5 Fragment of graphite bearing

1.3 微觀分析

對石墨軸承碎塊斷口進行掃描電鏡觀察。周向斷口形貌如圖6所示，低倍下斷口較平整，高倍下呈片狀脆性斷裂特征，未見明顯缺陷與內(nèi)部夾雜。徑向斷口形貌如圖7所示，低倍下可見兩側(cè)與中間部位斷裂特征存在差異，高倍下可見中間部位斷裂為片狀脆性斷裂，兩側(cè)位置斷裂處可見明顯孔洞特征。徑向斷口形貌可能是石墨中環(huán)氧樹脂膠黏劑經(jīng)高溫分解炭化所形成。

1.4 組織檢查

對電動機轉(zhuǎn)子的鋼制端面切取橫截面區(qū)域，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后制成金相試樣，使用體積分數(shù)為4%硝酸酒精對試樣進行浸蝕后用金相顯微鏡觀察，其金相組織如圖8所示?？梢?，近端面組織與心部組織存在明顯差異，近端面組織為淬火馬氏體組織，心部組織為回火索氏體+析出碳化物。

對電動機石墨軸承旁鋁環(huán)切取橫截面區(qū)域，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后制成金相試樣，使用體積分數(shù)為0.5%氫氟酸水溶液進行浸蝕后用金相顯微鏡觀察，其金相組織如圖9所示。

由圖9可見，近端面組織與心部組織無明顯差異，但近端面明顯存在燒蝕熔化產(chǎn)生的孔洞。

圖7 石墨軸承碎塊徑向斷口微觀形貌Fig.7 Microcosmic morphology of radial fracture of the fragment of graphite bearing

圖8 轉(zhuǎn)子的鋼制端部截面金相組織Fig.8 Section metallographic structure of rotor

1.5 硬度測試

對轉(zhuǎn)子的鋼制端部截面試樣進行維氏硬度測試，近表面硬度HV1636.0～657.4，心部基體HV1298.8～299.7，可見近端面硬度值高于心部硬度2倍還多，這與之前的金相組織觀察結(jié)果相對應(yīng)。

2 分析與討論

結(jié)合微觀觀察到石墨軸承碎塊斷口內(nèi)部樹脂炭化形成的孔洞，以及相接觸的鋼制與鋁環(huán)的端面燒傷特征，可以判斷該石墨軸承是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，其上端面與石墨軸承端面接觸磨損，產(chǎn)生熱損傷并造成過載斷裂。

石墨軸承旁的鋁環(huán)端面的燒蝕特征以及石墨碎塊徑向斷口觀察到的樹脂炭化形成的孔洞，均說明該石墨軸承在服役過程中產(chǎn)生了大量的熱，高熱量的石墨碎塊斷裂甩出后燒傷了定子的銅絲。該熱量的來源最大可能性就是該石墨軸承的端面與轉(zhuǎn)子上端鋼制端面工作中發(fā)生摩擦，這與體視圖片、金相組織以及截面硬度檢查的結(jié)果相符。轉(zhuǎn)子鋼制端面的周向熔融磨損特征，端面到心部的組織變化，以及硬度上與心部的巨大差別，均說明轉(zhuǎn)子鋼制端面也受到非常大的摩擦熱作用。結(jié)合以上可以判斷，該石墨軸承在電動機服役過程中，由于石墨軸承端面與轉(zhuǎn)子鋼制端面相互摩擦產(chǎn)生大量熱，繼而導(dǎo)致石墨軸承部分區(qū)域發(fā)生樹脂炭化形成徑向裂紋。后續(xù)使用過程中，由于徑向裂紋存在使得石墨軸承在端面間摩擦力的作用發(fā)生沿周向的過載開裂。

由于電動機安裝后，石墨軸承端面與轉(zhuǎn)子上端面有一定間隙，正常使用過程中不發(fā)生磨損。建議對電動機的安裝過程進行控制，避免石墨軸承與轉(zhuǎn)子端面接觸，確保安裝間隙符合要求。

3 結(jié)論

1)電動機石墨軸承受熱損傷后產(chǎn)生過載斷裂；

2)石墨軸承端面與轉(zhuǎn)子鋼制端面工作中相互摩擦導(dǎo)致熱損傷產(chǎn)生；

3)建議控制電動機石墨軸承與轉(zhuǎn)子端面的安裝間隙，以減小相對摩擦導(dǎo)致的熱損傷。