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航空發(fā)動機主軸軸承的延壽措施

2013-10-22

藺國民　蔡紅專　羅帥
（西京學院　機電工程系，西安　710123）
　　摘　要：分析了影響航空發(fā)動機軸承壽命的主要原因，并將各原因進行數(shù)學描述。從設計、制造、安裝、材料和潤滑等方面入手，有針對性地提出一套行之有效的延長航空發(fā)動機軸承壽命的技術措施。
　　關鍵詞：航空發(fā)動機；滾動軸承；壽命；影響因素
　　航空發(fā)動機主軸軸承因其工作環(huán)境惡劣，旋轉速度高，工作中承受振動劇烈，摩擦產(chǎn)生熱量大等原因，軸承的工作壽命直接影響著發(fā)動機的壽命。隨著對發(fā)動機壽命延長的要求，提高航空發(fā)動機軸承壽命的問題顯得越來越重要。本文通過對影響航空發(fā)動機軸承壽命的主要因素進行分析，提出了提高軸承壽命的主要技術措施。
　　1　影響軸承壽命的主要因素
　　1.1 dn值
　　dn值等于軸承內(nèi)徑與轉速的乘積。高dn值下工作的滾動軸承存在下列問題：
　　（1）由于滾動體產(chǎn)生很大的離心力，導致軸承的疲勞壽命大大下降。
　　（2）在球軸承中，內(nèi)、外圈接觸角應盡量相等。
　　但在高dn值下由于離心力的作用，內(nèi)圈接觸角增大，外圈接觸角減小，使鋼球的自旋速度加大，鋼球和溝道之間的滑動加劇、發(fā)熱量增加，接觸區(qū)溫度升高，從而加速軸承損壞。
　　（3）高dn值下由于慣性大，滾子的回轉歪斜更嚴重，使?jié)L子端部的磨損加劇。
　　1.2 溫度
　　溫度對軸承疲勞壽命的影響很大，隨工作溫度升高，疲勞壽命急劇下降。軸承的工作溫度日益提高，目前已達到400℃ ，因此，當務之急是解決高溫問題，除改進材料和潤滑劑外，必須對結構進行改進。例如，對奧林普斯593發(fā)動機而言，在結構上采取了如下措施：（1）將推力軸承安裝在溫度Z低但又不影響軸承工作效果的低壓壓氣機后，為了提高剛度，將低壓轉軸加粗；（2）渦輪軸承采取三重密封隔熱措施，防止高溫燃氣侵入，保護軸承與潤滑油不與冷卻渦輪的氣體接觸。
　　1.3 載荷
　　發(fā)動機滾子軸承通常徑向載荷過小，且轉速較高，因此，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)打滑、蹭傷和偏扭故障。當滾子打滑時，在接觸表面常常出現(xiàn)蹭傷現(xiàn)象，從而影響軸承壽命。在使用中，打滑和偏扭相比，偏扭是更主要的故障。打滑問題可以采用橢圓滾道軸承（或橢圓軸）對軸承施加預載荷來解決。
　　1.4 同軸度的影響
　　軸承安裝的同軸度是影響軸承壽命的重要因素。當滾動軸承安裝偏斜時，軸承中鋼球的運動軌跡從溝底向溝道邊緣移動，使球和套圈產(chǎn)生額外變形，增加溝道邊緣的接觸應力，從而降低軸承壽命；對于滾子軸承，當軸承偏斜時，滾子與套圈的線接觸被破壞，滾子端面應力集中導致軸承壽命降低。因此，保證軸承安裝的同軸度可明顯提高軸承的壽命。
　　2　主要技術措施
　　在找出影響航空發(fā)動機軸承壽命的主要因素的基礎上，從設計、制造/安裝、材料和使用幾方面入手，有針對性地提出一套行之有效的技術措施，直接提高航空發(fā)動機軸承壽命，間接使航空發(fā)動機的壽命得以延長。
　　2.1 設計改進
　　2.1.1 設計新的滾子素線形式
　　為了改善滾子表面的接觸應力，提高滾子軸承的壽命，應對滾子素線進行改進，由直線形改為全凸形、修正曲線形、對數(shù)曲線形[1]。如我國××，××發(fā)動機的主軸軸承由直線形改為弧凸形和全凸形，提高了軸承使用壽命。修正曲線能防止應力集中，壽命比全凸形長。對數(shù)曲線形滾子素線承載合理，可大大提高發(fā)動機主軸軸承的可靠性和壽命。
　　2.1.2 對軸承施加預載荷
　　對滾子軸承施加預載荷能防止打滑和蹭傷[2]。采用橢圓軸承和彈簧可實現(xiàn)對軸承施加預載荷。當對軸承施加預載荷后，外圈滾道近似橢圓形（圖1），在預載荷作用下，在滾道半徑附近的滾子因預載荷的作用而增加了拖動力，從而減小或避免打滑。
　　2.1.3 軸-內(nèi)圈一體化
　　旋轉部件的高速受主軸軸承dn值的限制。為使dn值不超過主軸允許值，可把軸承內(nèi)圈與軸做成一體。由于沒有內(nèi)圈，就可縮小徑向尺寸，相當于降低dn值和線速度，從而使?jié)L動體的離心力減小。
　　2.1.4 軸承成對選用
　　對于發(fā)動機主軸中的球軸承，往往載荷大且轉速高，可選用成對軸承代替單個軸承，以提高壽命。如××系列發(fā)動機，為了平衡附加的軸向力，將壓氣機的推力軸承由單個軸承改為成對的兩個軸承后，延長了軸承壽命。
　　2.2 制造及安裝的改進
　　（1）提高軸承加工精度。從工藝上著手，提高軸承加工精度，可成倍地提高軸承的壽命。
　　（2）表面改性技術。表面改性是提高軸承壽命的有效措施之一。主要方法有激光處理、離子注入、離子鍍、等離子噴涂以及鹽浴技術等。
　　（3）安裝的改進。軸精度、內(nèi)圈與軸之間的配合度、外圈與配合孔之間的配合度都會影響主軸的工作性能和壽命，因此，正確地選擇配合是保證軸承正常運轉的重要條件。振動對軸承的影響也不可輕視，除了轉子自身可能產(chǎn)生激振外，傳遞轉子不平衡載荷的軸承將引起發(fā)動機機匣和支承結構振動而產(chǎn)生振動應力。
　　2.3 材料的改進
　　軸承材料是確定軸承壽命的基本因素。目前，先進發(fā)動機的dn值已達到2.2X106mm.r/min，國外已開始研制dn值為3X106mm.r/min的主軸軸承。
　　對軸承材料的要求是：（1）尺寸穩(wěn)定；（2）硬度高；（3）疲勞強度高；（4）非金屬夾雜物少；（5）斷裂韌性好；（6）抗腐蝕性好。
　　航空發(fā)動機軸承用典型的材料有：GCr15，Cr4mo4V（M50），W18Cr4V和陶瓷（主要用于滾動體）等，對于鋼材的冶煉工藝要有特殊的技術要求。
　　2.4 潤滑的改進
　　（1）選擇合適的潤滑劑。潤滑劑能夠提供油膜、減小摩擦，具有良好的熱交換性能，具有抗變質能力，防止軸承表面腐蝕。潤滑劑的選擇必須考慮使用溫度和黏度，使用溫度決定著潤滑劑性能的正常發(fā)揮，而黏度直接影響著潤滑的效果。黏度過大會使軸承摩擦加劇，過小又會減小油膜厚度，使?jié)櫥Ч儾睢?br /> 　　（2）改善潤滑與冷卻。良好的潤滑與冷卻是提高軸承可靠性和延長軸承壽命的重要保證，只有設計良好的潤滑系統(tǒng)才能向軸承提供適量的潤滑劑，保證在軸承活動件之間形成一層潤滑膜，并能把軸承工作時產(chǎn)生的熱量傳遞出去和防止雜物侵入軸承內(nèi)部。改善潤滑與冷卻的主要方法有：對軸承兩端噴油，選擇合理的潤滑油噴射方向，采用環(huán)下供油，選擇適當油量等。
　　此外，還應重視軸承的監(jiān)控與維護。加強對航空發(fā)動機主軸軸承的監(jiān)控和維護能提高軸承可靠性和延長壽命。采用振動和噪聲檢測技術、光纖檢測技術、沖擊脈沖法、沖擊能量法、潤滑油油樣分析、溫度檢測、聲發(fā)射法和接觸電阻法等。通過檢測，判斷故障趨勢，實現(xiàn)視情維護來延長航空發(fā)動機軸承的壽命。
　　3　結束語
　　隨著科學技術的飛速發(fā)展，航空發(fā)動機的性能大幅提高，軸承作為發(fā)動機的主要承力部件，其工作溫度、旋轉速度等指標也隨之不斷提高，延長發(fā)動機軸承的壽命已刻不容緩。為此，應不斷總結經(jīng)驗，發(fā)掘新的技術，全方位、多層次地采取措施來提高發(fā)動機軸承的工作壽命和可靠性。
　　參考文獻：
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來源：《軸承》2009年7期