蔺国民 蔡红专 罗帅
（西京学院 机电工程系，西安 710123）
摘 要：分析了影响航空发动机轴承寿命的主要原因，并将各原因进行数学描述。从设计、制造、安装、材料和润滑等方面入手，有针对性地提出一套行之有效的延长航空发动机轴承寿命的技术措施。
关键词：航空发动机；滚动轴承；寿命；影响因素
航空发动机主轴轴承因其工作环境恶劣，旋转速度高，工作中承受振动剧烈，摩擦产生热量大等原因，轴承的工作寿命直接影响着发动机的寿命。随着对发动机寿命延长的要求，提高航空发动机轴承寿命的问题显得越来越重要。本文通过对影响航空发动机轴承寿命的主要因素进行分析，提出了提高轴承寿命的主要技术措施。
1 影响轴承寿命的主要因素
1.1 dn值
dn值等于轴承内径与转速的乘积。高dn值下工作的滚动轴承存在下列问题：
（1）由于滚动体产生很大的离心力，导致轴承的疲劳寿命大大下降。
（2）在球轴承中，内、外圈接触角应尽量相等。
但在高dn值下由于离心力的作用，内圈接触角增大，外圈接触角减小，使钢球的自旋速度加大，钢球和沟道之间的滑动加剧、发热量增加，接触区温度升高，从而加速轴承损坏。
（3）高dn值下由于惯性大，滚子的回转歪斜更严重，使滚子端部的磨损加剧。
1.2 温度
温度对轴承疲劳寿命的影响很大，随工作温度升高，疲劳寿命急剧下降。轴承的工作温度日益提高，目前已达到400℃ ，因此，当务之急是解决高温问题，除改进材料和润滑剂外，必须对结构进行改进。例如，对奥林普斯593发动机而言，在结构上采取了如下措施：（1）将推力轴承安装在温度Z低但又不影响轴承工作效果的低压压气机后，为了提高刚度，将低压转轴加粗；（2）涡轮轴承采取三重密封隔热措施，防止高温燃气侵入，保护轴承与润滑油不与冷却涡轮的气体接触。
1.3 载荷
发动机滚子轴承通常径向载荷过小，且转速较高，因此，在使用中经常出现打滑、蹭伤和偏扭故障。当滚子打滑时，在接触表面常常出现蹭伤现象，从而影响轴承寿命。在使用中，打滑和偏扭相比，偏扭是更主要的故障。打滑问题可以采用椭圆滚道轴承（或椭圆轴）对轴承施加预载荷来解决。
1.4 同轴度的影响
轴承安装的同轴度是影响轴承寿命的重要因素。当滚动轴承安装偏斜时，轴承中钢球的运动轨迹从沟底向沟道边缘移动，使球和套圈产生额外变形，增加沟道边缘的接触应力，从而降低轴承寿命；对于滚子轴承，当轴承偏斜时，滚子与套圈的线接触被破坏，滚子端面应力集中导致轴承寿命降低。因此，保证轴承安装的同轴度可明显提高轴承的寿命。
2 主要技术措施
在找出影响航空发动机轴承寿命的主要因素的基础上，从设计、制造/安装、材料和使用几方面入手，有针对性地提出一套行之有效的技术措施，直接提高航空发动机轴承寿命，间接使航空发动机的寿命得以延长。
2.1 设计改进
2.1.1 设计新的滚子素线形式
为了改善滚子表面的接触应力，提高滚子轴承的寿命，应对滚子素线进行改进，由直线形改为全凸形、修正曲线形、对数曲线形[1]。如我国××，××发动机的主轴轴承由直线形改为弧凸形和全凸形，提高了轴承使用寿命。修正曲线能防止应力集中，寿命比全凸形长。对数曲线形滚子素线承载合理，可大大提高发动机主轴轴承的可靠性和寿命。
2.1.2 对轴承施加预载荷
对滚子轴承施加预载荷能防止打滑和蹭伤[2]。采用椭圆轴承和弹簧可实现对轴承施加预载荷。当对轴承施加预载荷后，外圈滚道近似椭圆形（图1），在预载荷作用下，在滚道半径附近的滚子因预载荷的作用而增加了拖动力，从而减小或避免打滑。
2.1.3 轴-内圈一体化
旋转部件的高速受主轴轴承dn值的限制。为使dn值不超过主轴允许值，可把轴承内圈与轴做成一体。由于没有内圈，就可缩小径向尺寸，相当于降低dn值和线速度，从而使滚动体的离心力减小。
2.1.4 轴承成对选用
对于发动机主轴中的球轴承，往往载荷大且转速高，可选用成对轴承代替单个轴承，以提高寿命。如××系列发动机，为了平衡附加的轴向力，将压气机的推力轴承由单个轴承改为成对的两个轴承后，延长了轴承寿命。
2.2 制造及安装的改进
（1）提高轴承加工精度。从工艺上着手，提高轴承加工精度，可成倍地提高轴承的寿命。
（2）表面改性技术。表面改性是提高轴承寿命的有效措施之一。主要方法有激光处理、离子注入、离子镀、等离子喷涂以及盐浴技术等。
（3）安装的改进。轴精度、内圈与轴之间的配合度、外圈与配合孔之间的配合度都会影响主轴的工作性能和寿命，因此，正确地选择配合是保证轴承正常运转的重要条件。振动对轴承的影响也不可轻视，除了转子自身可能产生激振外，传递转子不平衡载荷的轴承将引起发动机机匣和支承结构振动而产生振动应力。
2.3 材料的改进
轴承材料是确定轴承寿命的基本因素。目前，先进发动机的dn值已达到2.2X106mm.r/min，国外已开始研制dn值为3X106mm.r/min的主轴轴承。
对轴承材料的要求是：（1）尺寸稳定；（2）硬度高；（3）疲劳强度高；（4）非金属夹杂物少；（5）断裂韧性好；（6）抗腐蚀性好。
航空发动机轴承用典型的材料有：GCr15，Cr4mo4V（M50），W18Cr4V和陶瓷（主要用于滚动体）等，对于钢材的冶炼工艺要有特殊的技术要求。
2.4 润滑的改进
（1）选择合适的润滑剂。润滑剂能够提供油膜、减小摩擦，具有良好的热交换性能，具有抗变质能力，防止轴承表面腐蚀。润滑剂的选择必须考虑使用温度和黏度，使用温度决定着润滑剂性能的正常发挥，而黏度直接影响着润滑的效果。黏度过大会使轴承摩擦加剧，过小又会减小油膜厚度，使润滑效果变差。
（2）改善润滑与冷却。良好的润滑与冷却是提高轴承可靠性和延长轴承寿命的重要保证，只有设计良好的润滑系统才能向轴承提供适量的润滑剂，保证在轴承活动件之间形成一层润滑膜，并能把轴承工作时产生的热量传递出去和防止杂物侵入轴承内部。改善润滑与冷却的主要方法有：对轴承两端喷油，选择合理的润滑油喷射方向，采用环下供油，选择适当油量等。
此外，还应重视轴承的监控与维护。加强对航空发动机主轴轴承的监控和维护能提高轴承可靠性和延长寿命。采用振动和噪声检测技术、光纤检测技术、冲击脉冲法、冲击能量法、润滑油油样分析、温度检测、声发射法和接触电阻法等。通过检测，判断故障趋势，实现视情维护来延长航空发动机轴承的寿命。
3 结束语
随着科学技术的飞速发展，航空发动机的性能大幅提高，轴承作为发动机的主要承力部件，其工作温度、旋转速度等指标也随之不断提高，延长发动机轴承的寿命已刻不容缓。为此，应不断总结经验，发掘新的技术，全方位、多层次地采取措施来提高发动机轴承的工作寿命和可靠性。
参考文献：
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[2]常琚,赵三星.预载荷对高速主轴性能的影响[J].轴承,2008(6):35-37.
[3]屈跃灵,张雁,李会轩.转盘轴承常见故障分析及改进措施[J].轴承,2000(9):26-28.
来源：《轴承》2009年7期
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