轴承被称为工业的“关节”,二战中苏德交战双方轴承厂都是轰炸的对象,可见轴承的重要性。能生产轴承的国家很多,但是能生产高质量的航空航天轴承的国家很少,客机、战斗机和各种航天器上的各种轴承,都需要在很恶劣的环境下稳定运行,比如航天轴承要在在-253.15℃–300℃的巨大温差下和高达 40,000 转/分钟高转速下运行。航空轴承的另一个关键应用领域是航天器系统,比如反作用轮、扫描机构和陀螺仪,这些轴承要在整个太空任务的使用寿命,甚至超过 15 年中连续、稳定地工作。因为上了太空后换个轴承太费劲了,所以就要求质量一样要好。

大部分客机的飞行时长是6万小时左右,机龄大约是25-30年左右,如果经常执行中短途航线起降次数较多,那么寿命可能只有20年左右。如果执行远距离航线,起降次数较少,寿命可能达到30年。一般飞机发动机正常使用维修都可以用几十年甚至伴随客机的一生,除非是因为质量或者其它操作不当造成的发动机损坏之类的问题,就算客机老化了也会当成货机来用。所以飞机的引擎还是挺耐用的,这其中飞机发动机的轴承功不可没。

客机需要大量轴承
飞机涡扇发动机是由风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气系统组成。风扇将发动机吸入的空气分配给外涵道和内涵道,外涵道的气流直接从发动机尾喷出,起到降温的作用。内涵道的气流依次经过低压压气机、高压压气机压缩,然后进入燃烧室和燃料混合燃烧,产生的高温高压燃气从尾喷管喷出。这就是航空发动机的工作流程,需要用到轴承的地方很多。

航空发动机中的轴承作为连接转动件和非转动件之间的“交界面”,要做到两头受气的准备,就算不是轴承的问题也会受到牵连。比如转子设计的不好振动太大,结果转子没事儿却把轴承震坏了;如果静子设计的不好振动能量没消除,结果又是轴承倒霉。所以一台航空发动机的任何部件设计的不好或质量有问题,都会在轴承上出现连锁反应,轴承就是整个发动机中的薄弱点很容易遭殃,所以给人的感觉就是怎么轴承老是坏呢?

航空发动机通常由进气系统、压气机、燃烧室、涡轮、排气装置5部分组成。涡轮是航空发动机重要动力来源,处于航空发动机中工作温度高、转速快的部位,从涡轮中喷出的高温高压燃气,在尾喷管中继续膨胀,以高速从喷口向后排出,使得航空发动机获得了推力。不同位置的转速都不同,比如高压压气机、低压压气机、高压涡轮和低压涡轮的转速有很大区别。转速更快的是高压涡轮,一片航发引擎扇叶的制造难度就能让大部分国家望而却步,而涡轮轴承由于处于发动机中温度高、应力复杂、环境恶劣的部位,所以制造难度可想而知。

航发轴承的位置
航空发动机内部转速更快的部分通常是高压涡轮,位于发动机的中间,作用是驱动高压压气机和附件,需要从燃烧室中获得高温高压气体并转动,因此转速很高。转速通常在数万到数十万转每分钟之间,这是为了实现足够的空气压缩和燃烧室内气体的高速流动,以提供发动机所需的动力和推力。

压气机又依次分为低压压气机、中压压气机、高压压气机。当燃气涡轮发动机工作时,空气从进气口进入,先经过风扇低压压缩机压缩,1秒钟就能吸收1.2吨空气。空气被压缩后,温度从-50℃升到40℃。进入中亚压缩机后温度升到300℃,然后进入高压压气机继续压缩,此时的温度能达到650℃,进入燃烧室后和雾状航空煤油猛烈燃烧,温度能达到2000℃,此时空气就会瞬间膨胀产生高温高压气体,然后就能推动百吨飞机翱翔了。

发动机的风扇、压气机、和涡轮等都得高速旋转,只要转动都需要轴承,所以航发引擎的寿命长短和轴承有很大的关系。而航发轴承需要在高温、高速、高压的环境中工作,所以要比普通的轴承更加难以设计和制造。普通家用电扇的转速为600转/分,只有航空发动机高压涡轮转速的3%,制造难度可见一斑!

1:温度高,发动机燃烧室能达到2000℃的高温,但是发动机就那么大,高温传递到轴承上的温度也能达到300℃,这离不开润滑油的功劳。在航发的油路设计中,润滑油不仅减少运动部件之间的摩擦,保护发动机部件起到润滑作用,还起到降温作用。大量的润滑油冲刷轴承会带走燃烧室传递过来的热量,滚烫的润滑油就会进入润滑油冷却器中散热,然后会经历下一轮的循环,即便这样轴承的温度也能达到300℃左右,所以对轴承的寿命有很大的影响。

2:疲劳、磨损、腐蚀是世界公认的轴承制造3大难题,在不间断的运行中轴承会受到磨损和腐蚀,这对材料的要求很苛刻。西方国家采用双真空熔炼技术垄断了航空和高铁100%市场。后来我们采用M50NiL齿轮钢,主轴承滚珠寿命能达到百万小时,并且在1.6倍载荷下加速试验寿命超过3万小时未失效,这已经非常厉害了。

轴承滚子受到的力并非是均匀的
3:航发轴承对振动更加敏感,飞机要尽量做到减重这样才能省油,很多零部件就会做的很薄,但是越薄的零件对振动就更敏感,如果震动过大就会在振裂甚至振碎,在轴承中的滚珠时刻都在滚动,就会产生振动,对自身和其他零件都会产生很大的影响。并且航天轴承分为转子叶片轴承、发动机支承轴承、联接轴轴承、涡轮机驱动轴承和涡轮壳轴承等,恶劣的工况条件下更容易出现问题。

4:内部压力大,由于航天轴承高速旋转,轴承各部分要承受变应力和高频率的作用,单位面积压力可达每平方毫米1500-5000N,所以轴承容易产生应力疲劳,甚至引发疲劳剥落,使轴承失去功能。同时滚动轴承要承受离心力、摩擦、高温、腐蚀等因素。制作轴承的材料有碳铬钢、440C不锈钢、氮化硅陶瓷、M50工具钢、耐腐蚀AMS5930钢、合金52100钢和碳化钛涂层440C等。

高温润滑剂对发动机轴承的耐腐蚀性提出了严格的要求,现有钢种由于其微观结构的限制无法满足设计寿命,导致表面因腐蚀而退化,所以新型的cronidur-30,也就是高氮轴承钢成为制造航空轴承的好材料,与陶瓷滚动元件相结合构成了混合轴承。并且把陶瓷滚动元件与高氮钢和粉末冶金钢等新技术被用于关键的航天器系统,例如成像有效载荷中的扫描镜和滤光轮旋转系统,以及用于姿态控制的反作用轮等。

轴承用钢体现了一个国家的冶金行业的技术水平,以前航空轴承是以渗氮工艺制成提高硬度的,现在用的是氮化钛涂层工艺,也就是钛原子与氮化物薄膜发生反应形成氮化钛薄膜,在真空室中蒸发少量钛和氮,并将蒸气沉积到基材表面上形成一种人造陶瓷材料,此时硬度会接近于钻石,熔点达到了2950℃,是制造航发轴承的好材料。

虽然轴承看着结构简单,甚至村头的小作坊都能一天造2筐,但轴承的技术含量很高,就好比砖窑烧的砖和金砖的区别,甚至可以作为衡量一个国家科技、工业实力的重要标准。当今世界科技和工业强国无一例外都是研发和制造轴承的强国。比如在钢铁加工过程中添加*土稀**,就能让钢铁变得更加“坚固”,但如何添加,这是世界轴承巨头的秘密,就好像航发发动机叶片的成分配比一样,好在我们已经摸出了门道。