航空发动机主轴滚动轴承的技术进展

/$ 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 ! 级 ! 这些轴承不适应在
)##!* !这种鳞剥最终发展成剥落 " 发展新的设计方
法是轴承长寿命和高可靠性的有力保证 ! 有关轴承 寿命研究仍是个亟待解决的研究课题 " 陶瓷轴承研 究取得了实用性进展 ! 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 " 美国在 %+,-.- $ 综合高性能涡轮发动机技术 % 第 " 阶段 提 出 耐 /01! 液 体 润 滑 剂 和 耐 201! 有 限 寿命轴承的目标 ! 对聚苯醚和全氟烷醚以及混合陶 瓷3 轴承钢轴承进行了研究 " 在 4.-.5 $ 联合一次性 使用涡轮发动机方案 %发动机上使用了带有氮化硅滚 动元件的无保持架止推轴承 !用燃油雾润滑冷却 !在
第 01 卷
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
"/
动机反向旋转可改进发动机性能并延长轴承寿命 ! 是下一代发动机结构的发展趋势 " 国外对反转轴间 滚子轴承的试验研究 ! 取得了可用的结果 " 离心载荷 和内环与轴过盈配合引起高速下轴承内环断裂 ! 由 于改进了轴承材料的断裂韧性和建立了更好的断裂 力学计算方法而有了解决办法 ! 具有良好断裂韧性 的渗碳钢如 !"#$%& 已投入商用 " 根据发动机外场的使用统计 ! 现役先进发动机 主轴轴承失效中疲劳剥落已不是主要问题 ! 表面损 伤和腐蚀一类占总失效的 ’#( 多 " 经典的次表面疲 劳理论目前虽然仍指导着轴承设计 ! 但计算中的随 意性和验证试验的巨大工作量 !使人们感到困惑 "有 关表面损伤故障的分析表明 ! 轴承起始损伤是从表 面开始的 ! 似乎是靠鳞剥机理而发展的 " 鳞剥层约为
子轴承在 !" 值 #$( !&% 下进行了初步的探索性试
’
验 ! & 九五 $ 期间又立了此课题 " 对滚子轴承进行 !" 值 #$(!&%’ 下的试验研究 ’ 重点是建立断裂力学设 计准则 "并用渗炭钢 )(%"*+ 制作轴承试验件 ! 虽然 按断裂力学准则设计了高 !" 值轴承 " 但因预研经 费太少没有生产 " 改用 )(%"*+ 钢制作的轴承替代 试验件 ! 此轴承不适应 !" 值 #$(!&% 的工作条件 "
’
试验中发生了滚子端面磨损进而使保持架断裂的故 障 ! 后经过精选滚子 "并选择合适的滚子与引导挡边 间隙 " 进行了 # 套各 &%%, 模拟试验 " 验证了高速滚 子轴承的一些特性和关键技术 ! & 八五 $ 期间进行的 & 提高航空发动机主轴轴承 寿命与可靠性研究 $课题 "取得了发动机主轴轴承技 术的全面进展 "其综合标志是研究了主轴轴承定寿办 法 "用新材料 (提高标准的军甲钢 %)(% 和)(%"*+ ) 制 作了试验轴承 " 并研制了 -%&% 合成润滑油 * 经不同 型号上万小时的试验器试验和发动机地面台架
!
国内航空发动机主轴滚动轴承设计与试验
我国航空发动机从仿制产品开始 ! 航空轴承 $包
括主轴轴承 % 作为成附件配套产品分归各轴承厂管 " 六十年代当航空发动机走向自行设计后 ! 主轴轴承 从轴承目录中找不到 ! 只能自行设计 " 以 @A#1 发动 机为例 !按发动机性能与结构安排 !所需的五型主轴
轴承经过自行设计 #试验和台架试车 !不断地加以改 进 ( 材 料 从 %&/6’ 改 为 576!B6CD 保 持 架 材 料 从
%&6/’’ 改为硅青铜镀银 ! 角接触球轴承从四点接触
改为三点接触 ! 轴承安装配合与径向游隙几经调整 ! 保持架结构与引导方式反复改进 ! 从一侧单喷嘴供 油改为环下冷却供油 " 经过近二十年的不断修改设 计 ! 才达到 @A#1 三批机主轴轴承能良好地工作的 程度 ! 为我国主轴轴承设计与试验开创了自行研究 的道路 "八十年代后相继研制了某涡喷 #某涡扇和某 核心机 ! 主轴轴承研制不断吸取先进技术和预研成 果 ! 先后开发了滚子轴承准动态设计分析程序 # 滚子 轴承动态设计分析程序 # 球轴承设计分析程序 # 主轴 承动刚度分析程序和滚动轴承保持架振动系统分析 程序等 !使主轴轴承设计水平大为提高 "具有代表性 的自行设计的主轴轴承有某涡喷发动机涡轮后支点 带安装边小游隙滚子轴承 # 某涡扇发动机反转轴间 滚子轴承和某核心机后支点滚子轴承 " 主轴轴承设 计是与轴承行业联合进行的 ! 轴承生产贯彻了轴承 行业的各项标准 !轴承生产图是轴承行业出的 ! 然而 轴承设计的主要工作由发动机研制单位负责 " 主轴 轴承设计的好坏与发动机的具体结构和工作条件紧 密相关 ! 除轴承外形结构外 ! 轴承的安装配合 # 工作 径向游隙的变化 #润滑与冷却方式的安排 # 受力与载 荷分布 # 轴承刚度与柔性要求 # 工作状态变化范围 等 ! 都是轴承能否正常工作的影响因素 !轴承行业对 这些影响是有所考虑的 ! 所以发动机设计研究单位 必须有较强的从事轴承研究的队伍 " 主轴轴承设计必须与试验相辅相成 ! 没有试验 就难以预先暴露使用中的问题 ! 试验推动着主轴轴 承的发展 " 我所试验研究了 @4#" 涡轮轴承轻载打 滑蹭伤故障 ! 用非圆外环预载滚子轴承获得满意效 果 ) 进行了轴承保持架断油试验 ! 对改进保持架结构 设计提供了依据 )通过试验修正了环下供油的收 #分 油结构 ) 为证实带安装边小游隙滚子轴承的性能与 耐久性 ! 进行了 2 套试验轴承的 0 "##: 试验 ! 累积
6’ ###73*89 下进行 0#: 循环运转 " 气相润滑和固体
润滑的高温陶瓷轴承 ! 有望取消润滑系统 ! 能极大地 降低对昂贵液体的需求 " 轴承 ;$ 值 /</"0# # 滑油
1
温度 /==! # 重量减轻 )#( # 生产费用 降 低 )#( # 维 护费用降低 0#( 的 %+,-.- 第 # 阶段目标 ! 实现的 路途尚很遥远 " 验证 /01! 润滑剂和陶瓷轴承的第
/V%V 年就开始了 ) 高速轴承研究与发展计划 *" 经过 #) 多 年 广 泛 大 量 的 试 验 与 分 析 工 作 " 完 成 了 ’,) ! /)*!" 值 # 轴径 9LLH! 轴速 9@WL4<H( 轴承的研究 " 一批
设计分析计算程序已成为轴承设计和故障分析的有 用工具 + 我国自 ) 七五 * 开始对Fra Baidu bibliotek速轴承进行了探索 性试验 ")九五 *也立了项 " 编制了若干设计分析计算 程序 % 我们这些初步的试验研究与实际应用尚有很 大差距 % 因此 " 高 !" 值轴承研究应继往开来 " 特别 在设计分析技术实用性方面狠下工夫 " 才能提升我 国航空发动机主轴滚动轴承的整体水平 " 以适应更 高推重比发动机研制的需要 %
第 /* 卷 * 第 - 期
燃气涡轮试验与研究
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#))’ 年 //月
Z>6 J8@O4<; [\K;@4L;<D ><N B;6;>@C7
航空发动机主轴滚动轴承的技术进展
林基恕
’沈阳发动机设计研究所 " 辽宁 沈阳 //))/%$
摘
要 ! 简述航空发动机主轴滚动轴承的国内外发展概况 " 指出需要解决与发展的一些设计分析技 术 " 提 出 以
保证了其在发动机上的良好运转 ) 在研发动机主推 力球轴承均在试验器上进行中断供油试验后 ! 才敢 在发动机上进行中断供油试车 " 在试验研究中测量 了轴承保持架转数 !以正确验证轴承的打滑度 " 还测 量了反转轴间滚子轴承中滚子的自转转速 ! 其转速 达 01# ###7E*89! 这对滚子结构和加工精度提出了
! 引言
航空发动机主轴滚动轴承是发动机的关键组 件 "国外对其预研与发展十分重视 % 如美国 ".:. 自
YA 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 % 轴承润滑冷却已由早期的喷射润滑改 为环下润滑冷却 " 使轴承润滑 ,控制摩擦热和轴承温 度不再成为高速轴承的限制因素 + 使用合成润滑油 并进行良好的过滤 " 主轴承可以在 !" 值 #,-!/)*, 工作温度 ’/*)下可靠地工作"使用寿命达上万小时 + 在滚动轴承设计和性能预测方面 " 由于弹性流 体动力学的发展 " 准确的弹流膜厚的可用性和有了 拖动力测量方法 " 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 + 一些大型复杂 的计算机程序均得到试验验证 " 已成为轴承设计和 故障分析的实用工具 + 滚子轴承轻载打滑蹭伤故障 应用弹流理论分析"用非圆外环预载的方法早已实用+ 高 !" 值主轴轴承研究已进行得较为充分 + 角 接触球轴承在实验室条件以 !" 值 ’!/)* 积累了十 多万小时的运转试验 " 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 + 双转子发
高 !" 值 ##$%& ’$!()* 主轴轴承为预研重点 % 关键词 ! 滚动轴承 & 技术发展 & 设计分析 中图分类号 !+#’’,-"% 文献标识码 ! . 文章编号 !/*0##$%$& ’$&&’ (&(#&&%##)%
!"#$%&’() *+,(%’" &% -.))&%/ 0"12&%/ .3 *"2.4"%/&%" 5$(36
" 阶段目标 ! 高的单位费用仍是个难以解决的问题 " 第 $ 阶段使用的 !%&#,>? #’2#2& 第 / 级和第 6 级 合成滑油 ! 能承受较高温度而不结焦 ! 现已用在 ? # ))&猛禽 ’动力 ?00= 发动机上 "
00 /0=: ! 给出了轴承使用寿命为 =0’:) 在试验器上 对轴间反转滚子轴承进行了性能和 /##: 耐久试验 !
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林基恕 , 航空发动机主轴滚动轴承的技术进展
第-期
严格要求 ! 有关高 !" 值轴承预研 " 自 # 七五 $ 就立过项 " 属 于高推比预研 " 但仅对球轴承在 !" 值 #$% !&% % 滚
’
振动负荷 %转子热弯曲引起的振动负荷 %压气机喘振 引起的振动负荷 %叶片飞出引起的动载荷等 ! 设计时 不预测这些影响因素 " 难以在设计上采取相应的对 策 ! 轴承所受的外载荷是发动机研究单位在设计时 确定的 " 虽然上述提到的这些未考虑的因素在发动 机初步设计时难以确定 " 但要有这方面的考虑或预 估 ! 定位球轴承所受的轴向力需要发动机气腔平衡 技术与之折衷 ! 某涡喷发动机早期研制时 " 由于气腔 平衡不合适 " 使主推力球轴承轴向力在地面台架状 态过大 "轴承在短期运转后就出现严重剥落 ! 后经调 整气腔平衡 " 把轴向力降下来才得以解决 ! 轴向力过 小或有换向问题也不行 " 那样易产生轴承轻载打滑 蹭伤故障 !
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国外主轴滚动轴承技术进展
现代航空发动机日益简化转子的支承结构 " 减
少了主轴轴承数目 % 由于常规轴承钢和更好的 X 或
收稿日期 !#))’#)%#/# & 修回日期 !#))’#)0#)/
作者简介 ! 林基恕 ’/V’*# $" 男 " 辽宁大连人 " 研究员 " 长期从事航空发动机传动与润滑系统设计 , 试验及预先研究工作 +