航空发动机轴承运转条件：高温、高速、重载。主轴轴承的工...

610•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2.3xDN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3xDN值的轴承速度相当于发动机的实际工作极限。610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，并缓解它们之间的冲击和振动；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。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。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。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。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。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)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。•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fi大于外沟曲率系数fo。•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。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。（4）在Hertz接触理论和轴承运动学的基础上，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。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值,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。6104.25：角接触球轴承在实验室条件以DN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。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。6100.3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。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。•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。以高DN值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。6100.3~5.2