电动机石墨轴承断裂分析

黄 超，王 珊

(国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000)

0 引言

石墨轴承是随着机械设备的性能要求，在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承[1-2]。炭质轴承有不同于金属轴承的特性，如自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等。在飞机电气系统电动机中，常使用石墨轴承作为机械滑动基件[3-4]。已有文献对石墨制零件的故障进行了分析[5-11]，但对于电动机用石墨轴承未见相关文献研究。

电动机经修理后进行试验，发现其信号指示灯不亮。测量发现黄线和红线断路，通电后电机不工作。进行分解检查发现，C相电路中温度保险丝熔断，石墨轴承断裂损坏。为查明石墨轴承断裂原因，对电动机内与石墨轴承接触的相关零件进行外观观察、体视检查、组织检查、硬度测试，对石墨轴承的断口进行微观分析，找出断裂原因并提出改进建议，为后续该类型产品的故障判断与预防提供依据。

1 试验过程与结果

1.1 外观观察

电动机拆解后发现石墨轴承断裂。断裂位置位于与石墨轴承旁铝环处(图1a)。断裂后的石墨轴承断块呈环状，并且除周向断口外，还有2处径向断口(图1b)。

图1 电动机及内部轴承断块外观Fig.1 Appearance of electromotor and fragment

电动机内部转子钢制端面处有明显沿周向的磨损痕迹(图2a)，选取完好定子对比可见钢制端面无明显周向磨损痕迹(图2b)。检查电动机内部定子，一周均发现铜丝存在明显烧伤熔化特征(图2c)。

1.2 体视检查

对电动机转子的上部钢制端面进行观察可见，该端面的磨损均是沿周向分布(图3a)。放大观察发现，端面处磨损痕迹均为热熔烧蚀特征(图3b)。

图2 电动机转子和定子外观Fig.2 Appearance of electromotor rotor and stator

图3 电动机转子上端面Fig.3 Upper end face of electromotor rotor

对电动机石墨轴承旁的铝圆环端面进行观察，整个铝环端面存在多处损伤(图4a)。放大观察可见，损伤处存在孔洞，为明显热熔烧蚀痕迹(图4b)。

对电动机石墨轴承断裂的环状碎块进行分析，可见：周向断口存在较多起伏，断面较粗糙(图5a)；径向断口断面较为平整，与周向断口区别较大(图5b)。

图4 电动机铝环端面Fig.4 End face of aluminum ring

图5 石墨轴承碎块Fig.5 Fragment of graphite bearing

1.3 微观分析

对石墨轴承碎块断口进行扫描电镜观察。周向断口形貌如图6所示，低倍下断口较平整，高倍下呈片状脆性断裂特征，未见明显缺陷与内部夹杂。径向断口形貌如图7所示，低倍下可见两侧与中间部位断裂特征存在差异，高倍下可见中间部位断裂为片状脆性断裂，两侧位置断裂处可见明显孔洞特征。径向断口形貌可能是石墨中环氧树脂胶黏剂经高温分解炭化所形成。

1.4 组织检查

对电动机转子的钢制端面切取横截面区域，经镶嵌、磨制、抛光后制成金相试样，使用体积分数为4%硝酸酒精对试样进行浸蚀后用金相显微镜观察，其金相组织如图8所示。可见，近端面组织与心部组织存在明显差异，近端面组织为淬火马氏体组织，心部组织为回火索氏体+析出碳化物。

对电动机石墨轴承旁铝环切取横截面区域，经镶嵌、磨制、抛光后制成金相试样，使用体积分数为0.5%氢氟酸水溶液进行浸蚀后用金相显微镜观察，其金相组织如图9所示。

由图9可见，近端面组织与心部组织无明显差异，但近端面明显存在烧蚀熔化产生的孔洞。

图7 石墨轴承碎块径向断口微观形貌Fig.7 Microcosmic morphology of radial fracture of the fragment of graphite bearing

图8 转子的钢制端部截面金相组织Fig.8 Section metallographic structure of rotor

1.5 硬度测试

对转子的钢制端部截面试样进行维氏硬度测试，近表面硬度HV1636.0～657.4，心部基体HV1298.8～299.7，可见近端面硬度值高于心部硬度2倍还多，这与之前的金相组织观察结果相对应。

2 分析与讨论

结合微观观察到石墨轴承碎块断口内部树脂炭化形成的孔洞，以及相接触的钢制与铝环的端面烧伤特征，可以判断该石墨轴承是由于转子转动过程中，其上端面与石墨轴承端面接触磨损，产生热损伤并造成过载断裂。

石墨轴承旁的铝环端面的烧蚀特征以及石墨碎块径向断口观察到的树脂炭化形成的孔洞，均说明该石墨轴承在服役过程中产生了大量的热，高热量的石墨碎块断裂甩出后烧伤了定子的铜丝。该热量的来源最大可能性就是该石墨轴承的端面与转子上端钢制端面工作中发生摩擦，这与体视图片、金相组织以及截面硬度检查的结果相符。转子钢制端面的周向熔融磨损特征，端面到心部的组织变化，以及硬度上与心部的巨大差别，均说明转子钢制端面也受到非常大的摩擦热作用。结合以上可以判断，该石墨轴承在电动机服役过程中，由于石墨轴承端面与转子钢制端面相互摩擦产生大量热，继而导致石墨轴承部分区域发生树脂炭化形成径向裂纹。后续使用过程中，由于径向裂纹存在使得石墨轴承在端面间摩擦力的作用发生沿周向的过载开裂。

由于电动机安装后，石墨轴承端面与转子上端面有一定间隙，正常使用过程中不发生磨损。建议对电动机的安装过程进行控制，避免石墨轴承与转子端面接触，确保安装间隙符合要求。

3 结论

1)电动机石墨轴承受热损伤后产生过载断裂；

2)石墨轴承端面与转子钢制端面工作中相互摩擦导致热损伤产生；

3)建议控制电动机石墨轴承与转子端面的安装间隙，以减小相对摩擦导致的热损伤。