硬核航空 FAG公司用于航宇轴承的寿命计算方法 陈光谈航空258

用单列滚珠轴承代替双列轴承，用单列滚珠轴承代替双列轴承在早期的一些发动机中,为了承受较大的转子的轴向力,曾将两个滚珠轴承并联一起使用,如JT8D的四号轴承(如图25所示)与 WP7的压气机前支点等。在这种设计中,应该使整个轴向力在两个轴承中均匀分担;但实际由于制造及装配的误差,很难做到均分,结果可能形成了70%、30%的分配比例,这对轴承的疲劳寿命有很大影响。

目前,由于有了高纯度的、高质量的真空熔炼的轴承钢(如 CEVMM-50),因而在20世纪70年代以后研制的发动机中,很少采用并列的滚珠轴承,而广泛地采用单列滚珠轴承。

航空发动机主轴承的转速,一般均超过轴承产品目录中规定的极限转速,按通常的轴承寿命计算方法(在美国常用的是抗摩轴承制造商协会 AFBMA的计算标准)很难计算航空轴承的寿命。这是因为这些计算方法均是在多年前的技术基础上发展起来的。它不能很好地反映当前技术发展的水平。例如在轴承寿命的标准计算公式中,没有包括对轴承寿命有很大影响的一些因素,诸如:

(1)轴承选用的材料;

(2)材料的加工过程,如真空熔炼技术,成形方式,热处理过程,材料的纤维走向等;(3)润滑剂与添加剂的性能,润滑剂中污染物的影响; (4)弹性流体力学的影响; (5)速度的影响(由于速度的增加,使离心载荷、接触应力与发热量增大)等等。

因此,目前航空发动机主轴承的寿命,一般是通过全尺寸的轴承试验来确定的,或者根据使用经验对计算结果进行某些修正而确定的。

例如,GE公司在计算发动机主轴承寿命时,如果轴承是用普通的SAE52100钢做的,滑油采用双酯类的 MILL 7808合成滑油,其寿命比 AFBMA公式计算值低15%;在采用同样的滑油,用消耗电极真空熔炼的 M 50材料做的轴承,其寿命为计算值的3~5倍。

这个修正系数已经 NASA的试验所证实。NASA的试验还指出,如采用烃类合成石蜡润滑油,在高温下 M 50的寿命比 AFBMA计算值高13倍。

德国FAG轴承公司于1989年提出了考虑航空轴承使用条件对轴承寿命影响较大的一些因素,对传统的轴承寿命公式进行修正,得出了用于航宇业的轴承可达到的(修正过的)寿命计算方法。由于FAG轴承公司是向航空发动机制造厂提供发动机主轴承的主要供应商之一(2003年其市场份额约占全球32%),他们发展的轴承寿命计算方法有较大的参考与实用价值。经征求FAG轴承公司同意在本文中引用该公式,现将整理改写的“FAG用于航宇轴承可达到的(修正过的)寿命计算方法”内容加入本文。

FAG公司用于航宇轴承的寿命计算方法

用于航空、航天器中的航宇轴承是一种特殊产品,经常使用于严酷的工作条件下,因此需要采用特殊的材料、加工过程与质量控制。这种轴承的成本通常比轴承目录中类似的大批生产的轴承高出100倍,且产量较低,一般约为年产10~1000套。每套轴承均标有生产序列号,因此可对每套轴承进行长达50年的跟踪。

对于航宇轴承的设计及理论计算方法可以参照一般轴承的设计方法,但由于有更多工作条件(转速、温度与可靠性等)的要求,因而发展和延伸出了一些新的的方法。疲劳寿命的确定就是一例,要采用从多年外场使用及台架试验中获得专门的知识。

通过疲劳寿命试验验证现有的半经验寿命估算公式已成为传统的方法。在高应力值实验中,通过这种方法可以减少费用和缩短试验时间,并能与现有的一些数据进行比较。许多现有数据是美国NASA/Lewis在20世纪60年代发布的。从高应力值试验中得出的数据证实了几十年前被轴承业采用的载荷 寿命公式中的指数p为恒定值(如对于点接触,p=3,对于线接触,p=10/3)。这个结果很容易被通用轴承及齿轮工业所接受,因为在这些行业的应用中也经常出现高应力情况。

尽管有很多事实表明在低负荷时实际寿命会比由寿命计算公式得出的结果高出一两个数量级,但综合考虑,航空工业中还是采用了这个概念。对于低负荷情况,常用的补偿措施是引入另一个经验系数———寿命增长系数,其范围为5~50甚至更大。

FAG公司采用了比以前周期更长的低应力试验。这是一个高投入的旷日持久的任务。他们发现传统的恒定p值在低应力时与试验结果相矛盾,并指出对于点接触轴承,低于一定应力(大约3000MPa)时,实际应力 寿命曲线将偏离由恒定指数得出的直线,而寿命指数将随着应力值的降低而增加,最后成为水平直线,即达到无穷大。通过试验得到的应力 寿命曲线与著名的Woehier曲线相符,水平直线部分表示持久极限,即当应力低于一定值时,不会发生疲劳损坏。在理想工作条件下,“理论持久极限”约在2400MPa;“实际持久极限”在低温条件下定为2000MPa。

如果最大赫兹应力值总是低于持久极限且没有其他应力(例如,由于不对中所产生的应力或由于边界润滑或润滑剂污染物等产生的表面剪切应力),轴承的滚动接触的寿命是无法计算的,也是无穷大的。SAE52000及SAEM50轴承钢在相同的条件且在低温(低于100℃)条件下测得也是同样的结果。在温度较高的条件下,不同的轴承钢的持久极限则有很大不同。

在不同应力水平下,使用恒定的寿命系数会导致潜在的问题,即如果将在一种特定的应用中建立起来的恒定寿命增长系数,用于另一种应用,会出现很大的问题。若对工作于较高应力水平的轴承应用这种恒定的系数,预计的轴承寿命将大于实际可达到的寿命,也就是说轴承的实际寿命达不到预计寿命。

FAG提出的疲劳寿命计算是基于 DIN/ISO281标准的,且考虑到了载荷、润滑膜厚度、润滑剂添加剂、杂质和轴承类型等的影响。FAG发现从在应力指数fs大于8且润滑剂清洁的在弹性流体动力(EHD)油膜条件下的滚动接触疲劳的观点看,滚动轴承能达到持久寿命。持久寿命的应力条件为应力系数fs。

fs>8 (仅用于非常高的系统洁净度及完全弹性流体动力学油膜)

FAG公司全面考虑了航宇轴承的工作特点,并且吸收了从实际使用及台架试验中所获得经验,将常用的轴承寿命计算公式进行了修正,成为用于航宇轴承的可达到(修正过的)轴承寿命计算公式。该修正计算公式公布于1989年,此后该司为众多航空发动机提供的主轴承均用此方法计算轴承的寿命。

FAG公司提出的可达到(修正过的)轴承的寿命公式表达为

工作条件系数a23

在可达到(修正过的)轴承的寿命公式的第3项中为a2311,a2311=S·a23,其中,S为洁净度系数,a23为工作条件系数。

工作条件系数a23,从以下图表中获得。这是考虑弹性流体动力油膜、润滑油添加剂、洁净度、载荷及轴承形式等影响的系数。

根据轴承形式、润滑剂是否有添加剂及应力系数fs从表7中查出K1与K2值,再按K1+K2之和由表8中查出a23在图27中所在区域,根据参数λ,即可由图27得出工作条件系数a23

改进生产工序和检测方法后的FAG航空轴承的质量可靠性系数为fr。

用于滚珠轴承、向心滚棒轴承以及承受轴向载荷的圆锥滚棒轴承时,fr=2;用于其他轴承时,fr=1(特殊情况须得到FAG同意)。

10.2.7 洁净度系数S

轴承系统需要非常洁净的润滑油和非常好的过滤系统。整个轴承及润滑系统在开始工作前必须全面清洗。为达到启动初期要求的高系统洁净度,特别推荐采用本文10.3中提出的预清洗概念。

润滑油中的污染物对轴承寿命的影响显得非常重要,这也是 FAG航宇轴承寿命计算方法中要考虑实际系统洁净度的原因。考虑到实际的系统洁净度和滚动体的尺寸,定义了污染参数V,V可由表10求得。例如:V=0.3时,用于非常洁净的系统(理想);V=0.5时,用于相对洁净的系统;V≥1.0时,用于含有很多污染物的系统。

表10、污染参数V（在润滑油或油脂中有硬度大于50HRC的污染物颗粒）

在此,不釆用具有较粗过滤度β25≥75的油滤,因为它会对其他零组件有坏的影响。过滤度可定义为:如果β3=200(DINISO4572),则意味着每200个尺寸为3μm的污染物颗粒中仅有1粒污染物颗粒流过油滤。

洁净度系数S可根据前述的应力系数fs与污染参数V在图29中求得。

下面举两例说明根据应力系数fs,考虑油膜厚与表面粗糙度的参数λ与污染参数V,求洁净度系数S的方法。

例1:高系统洁净度,即fs=7,λ=2.7,V=0.3。

在图29(a)中在横坐标应力系数fs=7处引垂直向上与λ=2.7曲线相交;由交叉点画一

条与横坐标平行的直线与V=0.3的直线相交,如图29(b)中所示;由交叉点垂直向下与横坐标相交即得到洁净度系数S=4.4。

例2:低系统洁净度,即fs=7,V=3.0,λ在此不起作用。

当污染系数V>1时,油膜的形成已不重要,因为大的污染物颗粒刺穿了润滑油膜。从fs=7垂直延伸到图29(c)中与V=3.0曲线相交,交点的纵坐标位置即为洁净度S=0.33。

这两例说明尽管在同样的轴承受力条件下,例1中高系统洁净度下轴承的可达到寿命大约是例2中低系统洁净度下轴承寿命的13倍。

当求出洁净度系数S后,即可按a2311=S·a23,得出a2311。

图29确定洁净度系数S的图表

10.2.8 变化的载荷和速度条件

如果轴承在整个工作过程中,载荷、速度以及其他对轴承寿命有影响的因素是变化的,那么轴承的可达到(修正过的)寿命要计算在各种条件下的单个运行周期qi(%),整个周期寿命计算公式为

在现有滑油系统中,污染物有两个重要来源。

首先,装配后滑油系统中会出现一些污染物。这是因为零件的加工和随后的装配过程中,整套系统会受到污染。污染取决于很多因素,如零件加工时的洁净度、装配环境、装配过程、储存过程和装配延误等。

其次,新鲜滑油中也带有污染物。在滑油的整个生产过程中,有许多环节可能将污染物带到滑油中。滑油的生产商采取了许多保证滑油洁净的措施,但是残存于滑油中的污染物尺寸及数量仍超出为保证轴承可靠工作所需的极限值。表11列出了新鲜滑油在供货条件下不同污染物的数量。

预先清洁有两个主要步骤:首先,整个滑油循环系统的所有元件在装配前必须彻底清洗;

其次,在装配完成后,利用外部过滤设备对滑油系统进行冲洗。冲洗系统应该装有过滤度为β3≥200的油滤,且冲洗过程要一直进行直到油样的洁净度达到ISO4406代码的10/7(参见

随着经验的积累,目前对影响轴承寿命的真实工作参数有了更多的了解,在实际使用中轴承可达到的寿命计算也变得更精确。诸如载荷、润滑油膜厚度及系统洁净度等关键参数在计算轴承寿命时均应考虑在内。

人们通过实践逐步了解到,要达到获得轴承长期、可靠工作甚至持久寿命所要求的洁净度值,应选择使用合适的过滤系统。为保证在启动前有高的系统洁净度,特别推荐使用10.3中介绍的预清洗概念,以消除对系统有害的污染物。

这些发现对提高和改进航宇轴承和其他机械部件可靠性和性能有很大的帮助,由此也消除了费用高昂的“提前失效”,为系统制造商(如发动机制造商)及最终用户(如国家空军或民用航空公司)节约了大量费用。