1、第16卷第4期 燃气涡轮试验与研究 V0116 No 452 2003年11月 Gas Turbine Experiment and Research Nov 2003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高DN值(253)106主轴轴承为预研重点。关鐾词：滚动轴承；技术发展；设计分析中图分类号：V233 4巧 文献标识码：A 文章编号：16722620(2003)04_c105205Technical Advance in Rolling Bearing of Aero-engine ShaftUN Jishu(Shenyang Aero
2、egine Research Institute，Shenyang 1 10015，China)Abstract：This paper simply described technical advance in rolling bearing of aeroengine shaft，introduced aleas of design analysis technique which need to be solved and improved，and proposedto focus ON bearings with DN value of f253)x106 in future resea
3、rchKey words：rolling bearing；technical advance；design analysis1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NASA自1959年就开始了“高速轴承研究与发展计划”，经过20多年广泛大量的试验与分析工作，完成了3O106DN值(轴径(mm)x轴速(rrain)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”开始对高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DN值轴承研究应继往开来，特别在
4、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。2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。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DN值24x106、工作温度316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
5、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DN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DN值3x106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。双转子发收稿日期：20030512修回日期：20030701作者简介：林基恕(1936一)，男，辽宁大连，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。万方数据万
6、方数据54 林基恕：航空发动机主轴滚动轴承的技术进展 第4期严格要求。 振动负荷、转子热弯曲引起的振动负荷、压气机喘振有关高DN值轴承预研，自“七五”就立过项，属 引起的振动负荷、叶片飞出引起的动载荷等。设计时于高推比预研，但仅对球轴承在DN值20x10e、滚 不预测这些影响因素，难以在设计上采取相应的对子轴承在DN值2 5106下进行了初步的探索性试 策。轴承所受的外载荷是发动机研究单位在设计时验。“九五”期间又立了此课题，对滚子轴承进行DN 确定的，虽然上述提到的这些未考虑的因素在发动值25)(106下的试验研究。重点是建立断裂力学设 机初步设计时难以确定，但要有这方面的考虑或预计准则，并
7、用渗炭钢M50NIL制作轴承试验件。虽然 估。定位球轴承所受的轴向力需要发动机气腔平衡按断裂力学准则设计了高DN值轴承，但因预研经 技术与之折衷。某涡喷发动机早期研制时，由于气腔费太少没有生产，改用M50NIL钢制作的轴承替代 平衡不合适，使主推力球轴承轴向力在地面台架状试验件。此轴承不适应DN值2 5106的工作条件， 态过大，轴承在短期运转后就出现严重剥落。后经调试验中发生了滚子端面磨损进而使保持架断裂的故 整气腔平衡，把轴向力降下来才得以解决。轴向力过障。后经过精选滚子，并选择合适的滚子与引导挡边 小或有换向问题也不行，那样易产生轴承轻载打滑间隙，进行了2套各100h模拟试验，验证了高速
8、滚 蹭伤故障。子轴承的一些特性和关键技术。 b现有大多数发动机主轴轴承还是仿制产品“八五”期间进行的“提高航空发动机主轴轴承 的延续，轴承精度维持在D级。这些轴承不适应在寿命与可靠性研究”课题，取得了发动机主轴轴承技 高DN值条件下工作。为了确定高DN值下轴承f特术的全面进展，其综合标志是研究了主轴轴承定寿办 别是滚子轴承)的结构和参数、滚动元件是否打歪斜法，用新材料(提高标准的军甲钢、M50和M50NIL)制 设计时要对滚子形状、加工精度、滚子与引导挡边的作了试验轴承，并研制了4010合成润滑油。经不同 间隙控制、引导挡边结构等进行分析对比，用实用的型号上万小时的试验器试验和发动机地面台架
9、动力学计算分析程序算出打滑量、歪斜值、使设计500h长期试车考核，将发动机主轴轴承的使用寿命 合理。提高至500h。“九五”期间进行的“航空发动机主轴轴承可靠性增长与相关技术研究”，又把主轴轴承使用寿命提高至600h。上述两大课题取得了多项成果应加强推广使用。4我国航空发动机主轴轴承应发展的设计分析技术随着先进航空发动机的发展主轴轴承的工作条件日益苛刻，且要求有长寿命和高可靠性。主轴轴承既不能从产品样本中选择，也不能用简化的传统方法设计而是需要精心的设计分析和大量的试验验证。通常，国外航空发动机主轴轴承的成熟期需十多年的时间。我国航空发动机主轴轴承研制水平与技术先进国家比存在着差距，在设计分析
10、技术方面更显落后。为适应下一代先进航空发动机研制的需要，首要的是开发并应用先进的主轴轴承设计分析技术，才能避免研制中的盲目性。a主轴轴承在发动机支承系统中很复杂提供足够的负荷是个模糊概念。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、稳态。 轴承径向游隙控制直接决定着轴承能否正常工作。轴承工作间隙控制受发动机工作状态、安装结构、润滑冷却安排和温度场的影响。迄今为止，温度场的换热计算难以适应工程设计的需要(温差20下可引起0025ram的变化)，致使这类轴承至今仍以发动机的经验或试验加以修正。
11、作为发动机研制单位要利用在研机种的试车条件，进行测试研究从中找出规律以指导设计。如何改进和提高轴承温度场计算精度仍是个需要努力攻克的课题。d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。轴承设计时应将保持架的固有频率设计在所有发动机稳态工作激振频率范围之外。为了弄清固有频率和应力，需要建立三维结构模型和强迫响应模型，以便确定各种激振频率的响应。e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，现代先进机种用酯类润滑油通常把轴承工作温度定为250。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
12、要控制，以防产生锥度增加额外负荷。环下供油已广泛应用，其收油、分油设计还只能依试验确定。至于滚动轴承的万方数据第16卷 燃气涡轮试验与研究 弱弹流润滑和边界润滑技术分析，虽能计算油膜厚度 程序在当前技术状态下是较为科学合理的。应在此和提出拖动力模型，但与高速轴承起始于表面损伤 基础上进一步完善，升为具有权威性的国家标准。同的故障机理相脱节，润滑研究更显得重要。 时，对能减轻始于表面损伤的方法，如减少碳化物尺f主轴轴承内、外套圈安装也不是容易对付的 寸、减少油污染、采用新的加工方法以改善表面质问题，需要仔细考虑离心力和零件温度的影响。通常 量、应用新材料或离子注入表面改善性能等，设计时内套圈用过
13、盈配合装配，以防转动；外圈有一定的间 尽量采用。隙，特别对高速工作的球轴承更要留心，否则会因工 通常所使用的轴承材料是全硬轴承钢或工具作间隙消失而卡死。如何选择过盈量和间隙就是个 钢，几十年来发展得十分完善。但对高DN值(24难题因不能用简单的厚壁筒模型计算，温度场又不 106以上)应用，由于内套圈与轴过盈配合和高速引准。故需要三维结构模型和柔性套圈的分析方法，也 起大的离心力，使轴承内外圈周向应力增大。这不仅需要改进温度分布预测系统。 减小了轴承的疲劳寿命，而且如果工作表面局部产g如何确定主轴轴承的使用寿命 生小剥落，裂纹会快速增长造成灾难性的套圈瞬时航空发动机主轴轴承设计目前仍以Lundb
14、erg一 断裂。全硬轴承钢断裂韧性较低(K。值约为20MPaPalmgren次表面疲劳理论为准则，这个简化的公式 mm)，不适宜高速应用。表面硬、心部软的渗碳钢具是以七点假设经试验统计得出的。公式具有局限性， 有较高断裂韧性，美CE公司发明的M50NIL就是这不区分这种局限性。就会常常被误用。随着科学技术 类材料，其断裂韧性蜀。为40MPamm，M50NILTDC的进步，轴承材料、加工方法和润滑冷却方式都有很 (表面镀铬)更可达80MPamm。另外，M50钢工作表大改进。为适应这些技术进展，以LP理论为基础 面为残余拉应力(约为70MPa)，渗碳M50钢工作表发展了一些工程近似方法，如修正的额
15、定寿命，提出 面为残余压应力(约为350MPa)，这不仅提高了疲劳多个寿命修正系数。也有的针对现代滚动轴承实际 寿命，又使抗表面损伤能力大为提高。高DN值轴承使用的长疲劳寿命现象，提出改进的寿命理论即 发展需要这类新的轴承钢，设计时必须按断裂力学IoannidsHarris方法，引入了疲劳极限的概念。对于 准则加以评估。已知疲劳寿命仅改变使用条件的应用中，英国RR 我国航空发动机主轴轴承的设计能力所以低公司总结出的经验方法一载荷程度准则(IsC)，用轴 下，有两个方面的原因：一是主轴轴承设计都有哪些承所受接触应力和每分钟应力接触频率与基准值相 内容，该由谁来做，由于仿制体系的延续与影响，至比较
16、来评估轴承寿命。上述均为基于次表面疲劳 今还有些模糊，好多方面处于空白。二是从事轴承设理论的寿命评估值，其失效形式是次表面疲劳。 计与研究的人员少，力量单薄。航空发动机主轴轴承现代先进航空发动机外场使用统计表明，大多 作为发动机的关键组件，从材料、结构、参数、安装、数主轴轴承失效是始于表面损伤类的故障。美 润滑以及试验与定寿等都是发动机研制单位的基本GEAE与麻省理工学院合作对这一问题作了初步研 任务。但由于从业人员少，很多工作还没有真正的涉究，认为这类轴承在部分弹流润滑条件下工作，损伤 及。前些年沈阳发动机设计研究所、株洲航空发动机起始于表面，通过“鳞剥”机理而扩大，最终发展成通 设计研究所
17、和洛阳轴承研究所都开发了一些轴承设常所说的剥落。归纳出的起始于表面损伤的典型形 计分析计算机程序，在设计分析技术方面已达到一式有磨粒磨损、压痕、打滑损伤、磨削沟槽、大碳化物 定的水准。但这些程序大多没有很好地利用，程序本和锈斑。很显然主轴轴承的设计失去了准则意义。弄 身也有待完善，基本上未经较充分的试验修正。由于清表面损伤机理并形成新的设计分析系统决不是轻 人员的变动，已投有人研究这些程序了。而易举的事情，这方面的研究应该成为一个热门。 航空发动机要发展，适用于高DN值条件工作在这种现实条件下如何确定主轴轴承的使用寿 的轴承要预研，计算机辅助设计和各类分析技术必命应规定一个较为科学合理的方法。
18、沈阳发动机设 不可少。应在已有程序的基础上完善、升级与发展计研究所制定的主轴轴承定寿办法是根据国内的技 并经充分的试验加以修正，使之成为实用、快捷的设术经济状况，参照国内外的研制经验，从定寿、可靠 计分析工具。只有设计分析技术先行，才能提高主轴性和失效定义出发，提出的合理的技术指标；规定了 轴承设计水平。当前加强航空发动机主轴轴承设计必须进行的试验种类、方法和子样数。所制定的定寿 与研究力量是急中之最。万方数据万方数据航空发动机主轴滚动轴承的技术进展作者： 林基恕作者单位： 沈阳发动机设计研究所,辽宁,沈阳,110015刊名： 燃气涡轮试验与研究英文刊名： GAS TURBINE EXPERI
19、MENT AND RESEARCH年，卷(期)： 2003,16(4)被引用次数： 8次参考文献(11条)1.林基恕 滚动轴承材料与润滑技术的发展动向 1986(01)2.林基恕 燃气涡轮发动机主轴高速圆柱滚子轴承的发展 1985(04)3.林基恕;朱宗举 燃气涡轮发动机反转轴间轴承的发展与应用 1984(04)4.梁春 IHPTET10年进展沈阳北方工业技术开发公司印刷厂 19995.Price I L 燃气涡轮发动机结构设计准则的研究-最终报告6.Seibbe H W;Zaretsky E V Advanced Design Concepts for High Speed Bearings
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