航空发动机轴承总结

轴承失效的监测
• 轴承温度的监测，一般把温度传感器贴近轴承外 圈。轴承温度变化是缓慢过程, 对轴承早期轻微的 失效不敏感, 只有轴承已发生较严重的失效时, 轴 承温升才会发生较急剧变化。 • 振动监测，分为对轴系的监测和对机体振动加速 度的监测。轴系振动信号是最直接反映轴承运转 状态及失效的信号, 轴承失效可以立即引起振动状 态变化。 • 系统功率消耗也是反映轴承运转状态及失效的重 要参数。当被试轴承发生故障或失效, 必然引起电 机输出功率的增大。
轴承的润滑与冷却方式
喷射润滑
• 喷射润滑的方法有 多种单喷嘴, 双向 单喷嘴, 多喷嘴等 • 研究表明, 当润滑 油对准保持架与内 环引导面之间时, 轴承温度最低。 • 喷射润滑对高DN 值工作的轴承,润滑 效果不好。
环下润滑
• 适应高DN值轴承润滑冷却 的需要。 • 所谓环下润滑就是滑油经 轴承内圈上的径向孔、槽 进入轴承，即从轴承内环 下部向轴承供油, 而不像喷 射润滑由轴承端面直接喷 入轴承。 • 环下润滑结构基本由两部 分组成, 即集油部和输油部。
我国航空发动机轴承设计中存在的问题
• 确定主轴轴承寿命的负荷往往给得不全，目前主 要给的是静态和动态径向负荷，粗略的轴向负荷。 没认真研究的内容还很多，如静态和动态的轴向 不同心度，轴承套圈锥度等。 • 现有大多数发动机主轴轴承还是仿制产品的延续， 轴承精度维持在D级,这些轴承不适应在高DN值条 件下工作。 • 轴承径向游隙控制直接决定着轴承能否正常工作。 迄今为止，温度场的换热计算难以适应工程设计 的需要。 • 防止轴承保持架共振：轴承保持架可能对各种激 振产生共振，共振产生的交换应力能导致保持架 疲劳破坏。
国内航空发动机主轴滚动轴承设计与试验
1：八十年代后，主轴轴承研制不断吸取先进技术和预研成 果，先后开发了滚子轴承准动态设计分析程序,滚子轴承 动态设计分析程序,球轴承设计分析程序,主轴承动刚度分 析程序和滚动轴承保持架振动系统分析程序等,使主轴轴 承设计水平大为提高。 2:八五期间,研究了主轴轴承定寿办法,用新材料(提高标准 的军甲钢,M50和M50NIL)制作了试验轴承,并研制了4010 合成润滑油。
• 航空发动机轴承运转条件：高温、高速、 重载。 • 主轴轴承的工作特点：高DN值、高温、重 载、高可靠性。 • 航空发动机主轴承通常在低于2.3x 106 DN值和温
度在250℃以下工作，由于压气机或涡轮叶尖速度 和轮盘破裂强度限制了旋转部件的最高速度。所 以3x 106 DN值的轴承速度相当于发动机的实际工作 极限。
轴承腔结构及汽油两相流
轴承腔内润滑油两相均匀流动的速度分布情况
• 润滑油在入口处出现漩涡现 象,其原因在于润滑油喷射 到轴承腔内时,由于轴承保 持架的阻碍作用,一部分油 流发生回流, 润滑油在轴承 腔内也产生回流,腔内回流 的润滑油如果在轴承腔内停 留的时间过长,将会导致轴 承腔过热;如果停留时间过 短,则可能造成润滑不够充 分,形成一定的油流缺损区, 导致“空转”现象发生,从 而加剧轴承磨损。
对航空发动机轴承要求
（1） 轴承的故障将导致发动机转子振动增大甚至 发生严重的事故，因此要求轴承的可靠性高； （2） 在高温至315Co，低温至-250Co 条件下，轴 承都能正常工作，且具有较长的使用寿命； （3） 轴承能承受转子的径向负荷，或同时承受径 向和轴向两种负荷，且具有较大的承载能力； （4） 结构重量轻，具有足够的刚度，能保证旋转 轴到轴承座之间的传力，并承运动学的基础 上，推导了滚动轴承非线性轴承力，建立 了滚动轴承非线性振动的分析模型，研究 了滚动轴承变刚度振动、表面波纹度对系 统动力特性的影响规律。研究表明：滚动 轴承的非线性轴承力会诱发变刚度振动； 通过适当地选取转速、阻尼、游隙和径向 力等参数，可以降低滚动轴承系统的非周 期振动；由几何缺陷引起的滚动轴承波纹 度，是导致轴承系统振动的主要因素之一。
• 成对双联有预载荷角接触球轴承
能提高轴承部件刚性,提高轴承的运转精度,并能减少 噪声、振动,从而提高了轴承寿命。
• 轴承套圈带安装边及设置油孔、油沟
轴承套圈上油孔、油沟的设置,起到既润滑又冷却的 作用。
国外航发主轴承最主要的结构特点如下:
• ⑴采用外圈带各种形状法兰盘的异形结构, 内圈的相应部位上设有油孔或油槽;角接触 球轴承接触角较大,不选用成对双联角接触 球轴承。 • ⑵为了克服旋滚比造成的不利影响,常取内 沟曲率系数f i 大于外沟曲率系数f o 。 • ⑶保持架突出套圈端面且带挡油边;内径上 开有油槽或油孔,利于润滑油的流通。 • ⑷滚子素线主要选用修正形和对数曲线形。 • ⑸轴承多为内引导,且间隙较小。
3.0 106，积累了十多 5：角接触球轴承在实验室条件以DN值 万小时的运转试验，其性能和复杂的变化已搞清楚了。高 速滚子轴承所出现的滚子歪扭引起的滚子端面偏心磨损， 已找到工程上解决的办法。 6：国外对反转轴间滚子轴承的试验研究，取得了可用的结 果。 7：现役先进发动机主轴轴承失效中疲劳剥落已不是主要问 题，表面损伤和腐蚀一类占总失效的70%多。 8：用铁基合金跑道，氮化硅滚动元件组成的轴承及全陶瓷 轴承均进行了全尺寸轴承试验，显示出很大的发展潜力。
航空轴承失效
---通过统计分析，发动机主轴轴承的失效模式大致分15种类别
• 1划伤、擦伤；2磨损；3轻载打滑；4锈蚀；5偏磨、 载荷轨迹下移；6压坑、撞伤；7疲劳剥落；8电流 侵蚀；9保持架变形；10裂纹；11保持架银层脱落； 12两极磨损猫眼圈；13受热变色；14尺寸胀大或 缩小；15振纹。
• 失效造成的直接结果是温度升高、振动加 大或振动状态发生变化、轴系功率消耗加 大、轴心轨迹形状发生变化。
环下润滑的特点
• 突出优点是能使轴承温度普通降低, 特别是内圈工 作温度在各种工作条件下均比外圈低, 从而对轴承 内部间隙控制更为有利, 并能有效地防止高速轻载 下内圈打滑蹭伤故障。 • 其次, 由于滑油流路合理, 滑油利用率高。喷射润 滑只有70%滑油可被利用, 而环下润滑在结构设计 合理的情况下, 可达80%以上, 最高可达95%。 • 同时, 这种结构使搅拌损失大大降低, 减少功率损 耗, 并且降低了滑油中污物对轴承损坏的机率。 • 适应高DN值轴承润滑冷却的需要。
轴承特点
• 双半内圈角接触球轴承
能承受较大的双向推力载荷,也可承受一定的径向载荷。 四点接触型：轴向游隙小, 轴向窜动最小，摩擦发热量大， 高速性能不好。三点接触型：轴向游隙较大，非载荷半内 圈上可能产生附加接触，高速性能较好。
• 短圆柱滚子轴承
提高轴承的旋转精度,有利于轴承寿命的提高;相对外 圈可有较大的轴向位移, 可以补偿温度变化引起的热膨胀 差。
航空发动机高速滚动轴承的力学特性分析
（1）分别采用拟动力学法和有限元法，建立了滚动轴承力 学分析模型，研究了滚动轴承的载荷分布特性，分析了不 同结构参数和载荷参数对其接触角、变形、接触刚度和极 限转速的影响规律。两种算法所得结果与实验结果基本一 致，有限元法在计算精度方面具有优势，而拟动力学法在 计算效率方面具有优势。 （2）基于弹流润滑理论，研究了滚动轴承的最小油膜厚度 和油膜刚度特性，分析了不同载荷参数对它们的影响规律。 将油膜刚度和接触刚度组合，推导了滚动轴承的综合刚度， 提出了滚动轴承等效刚度的概念和计算方法。 （3）考虑滚珠和径向游隙等因素的影响，对滚动轴承疲劳 寿命的计算公式进行了修正。研究表明：滚珠对轴承疲劳 寿命有一定影响，不考虑滚珠影响会使计算结果偏高。
航空发动机主轴滚动轴承的技术进展
• 国外主轴滚动轴承技术进展
1：由于常规轴承钢和更好的W或Mo 系工具钢的不断改进， 主轴滚动轴承的疲劳寿命已大大提高。 2：轴承润滑冷却已由早期的喷射润滑改为环下润滑冷却。 3：使用合成润滑油并进行良好的过滤，主轴承可以在DN 6 值 2.4 10 ,工作温度360度下可靠地工作，使用寿命达上 万小时。 4：弹性流体动力学的发展，使轴承准动态和动态计算分析 成为可能，从而能定量地预测轴承性能。
以高DN值2.5 ~ 3.0 106主轴轴承为预研重点，提高我 国航空发动机主轴轴承的研制水平
• 建立与发展航空发动机主轴轴承的设计分析方法与程序， 并以全尺寸轴承试验件在模拟条件下试验验证并修正，使 之成为设计分析的实用工具。 • 确立国产主轴轴承和润滑剂在高DN值下的工作性能和使用 寿命,使之达到实用的水平。着眼点如下：适于高DN值的 轴承设计技术；改进轴承生产技术，把轴承精度提高至C、 B级；渗碳M50NIL的应用与建立断裂力学设计准则;研究始 于表面失效的机理与采用相应的对策。
航空发动机主轴轴承的结构分析 • 轴承的结构形式：
1双半内圈角接触球轴承 ---分为三点接触型和四点接触型 2短圆柱滚子轴承 3成对双联有预载荷角接触球轴承 4轴承套圈带安装边及设置油孔、油沟 • 航发主轴承所选用的结构型式主要有短圆柱滚子 轴承(承受径向载荷) 和双半内圈角接触球轴承 (承受两个方向的轴向载荷)
• 提供足够的润滑和冷却：滑油流量是由轴承工作 温度确定的。滑油供给不仅要提供必要的润滑油 膜，还需使内、外圈轴向温差适当，以免影响工 作游隙。内、外圈轴向温差也要控制，以防产生 锥度增加额外负荷。 • 轴承内、外套圈安装需要仔细考虑离心力和零件 温度的影响。 • 确定主轴轴承的使用寿命有了新的准则。
喷管润滑
• 这种润滑方式主要用于轴间轴承润滑。由于轴间轴承内、 外圈同时旋转, 无法安装喷嘴, 故不能实施喷射润滑或环下 润滑。 • 在无环下润滑的情况下，也可将喷嘴直接对准与轴线平行 的油管喷入润滑油
喷管润滑的特点
• 种润滑方式, 油流动困难, 穿透力极差。因 此轴承润滑冷却一般不很充分, 表面常常出 现颜色变黑, 甚至硬度下降。 • 这种润滑方式在设计上要引起特别注意： 第一, 要适当加大喷嘴喷射流量；第二,输油 管直径加大, 内壁光滑, 保证油流通畅；第 三, 轴承材料要采用高温耐热合金。