航發科普
發動機和你一樣,享受運動都離不開“關節”
來源:       發布時間:2018-09-17

氣候轉暖,正是舒筋活骨的好時節,大家開始紛紛走出戶外,騎行,爬山,郊游……但是享受運動更要“安全第一”,尤其要護好關節等重要部位。因為人體關節發揮了支承、杠桿、緩沖等多重作用。幾乎可以說,沒有關節,人就無法運動。

對于機械系統的“運動”而言,“關節”一樣不可或缺,而人們習慣性地把“軸承”比作機械系統的“關節”。軸承就是給各種軸類結構(如轉軸、傳動軸等)起支承作用的部件的總稱。

古時候沒有大型動力設備,人們為了移動大型石料(比如長城、金字塔上的巨石),通常在其底部放置若干圓木,推動石料,利用圓木的滾動實現石料的前移。這與現代滾動軸承的設計初衷是一致的——軸承是把具有相對轉動,或者允許有相對轉動的兩個部件之間聯系在一起,以高效、平穩的實現支承作用。

早在歐洲文藝復興時期,達芬奇就在繪制的手稿中展示過他所構想的軸承,與航空發動機的軸承結構非常接近。

軸承雖是零部件,但它的精度、性能、壽命和可靠性對航空發動機的精度、性能和可靠性起著決定性的作用。

現代工業中,較為常見的軸承類型有滾動軸承、油膜軸承、電磁軸承、氣浮軸承等。綜合考慮傳動效率、結構可靠性、振動、潤滑等方面的要求,航空發動機采用的軸承主要是滾動軸承,集中應用在兩個主要部位——傳動系統和轉子系統。

轉子系統軸承支承著整個航空發動機最核心的系統,通常稱作主軸承。先進航空發動機技術的發展要求動力傳輸系統要經得住高溫、高速以及激烈的狀態變化,這對發揮支承作用的主軸承提出了苛刻要求——發動機主軸承必須要有高DN值(軸承內徑與轉速的乘積大于3×106mm·r/min),工作溫度達300℃ 以上,未來甚至要求重載工況承受的推力載荷大于45000N。

如果把航空發動機轉子系統比作一位芭蕾舞者,那么主軸承就是她的足尖,優雅的旋轉、絕佳的平衡莫不與其息息相關。主軸承一旦失效,輕則導致系統精度降低、振動加劇和穩定性變差,重則可能導致軸承咬死使發動機受損。目前,一些先進航空發動機主軸承的壽命能達到1萬小時以上。

正如精湛的舞姿需要付出超常的努力,主軸承也需要經過千錘百煉,要克服材料選擇、結構設計、潤滑設計、可靠性設計等諸多難題,才能保證其絕佳性能。

根據滾動體的形狀,航空發動機主軸承又可以分為圓柱滾子軸承和角接觸球軸承。主軸承的外圈通常都會加工出一些特殊的結構,這樣處理既可以減重,又便于與發動機其他部件進行配裝。

軸承的內環通常做成分半式的,如角接觸球軸承的內圈就是分成兩半的。這種設計不僅僅是為了便于裝配,更重要的是使軸承在承受機動載荷時仍能實現平穩可靠的支承作用。

總之,軸承不僅僅只是表面上看起來幾個組件裝配而成的結構,這個小部件有一個大世界,它涉及材料、工藝、運動學、動力學、摩擦學、傳熱學、流體力學等諸多方面,而這些通常看不到的技術細節都是決定軸承性能的關鍵。(中國航發研究院 張學寧)

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