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为什么千万不要去设计航空发动机轴承(下)

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  上回书 (文章回顾:) 说到,在高速旋转的工作状态下,只有少数几个滚子吃着力,并且在轴承的方寸之地中,滚子、保持架、内外环之间各种乱碰乱撞,那么如此混乱的场景中,到底隐藏着什么巨大隐患呢?

  轴承坏掉的100种方法

  其实在了解了轴承内部的运转状态之后,就很容易理解轴承会怎么坏掉了。

  首先,轴承中的滚子并不会均匀受力,而是由少数几个滚子承受绝大部分的力,这就导致轴承滚子受到的力很大,同时我们还应该注意到,滚子实际上是圆球或者圆柱体,这些滚子与滚道之间的接触面积非常小,所以会在材料内部形成很大的应力,这些应力时不时地就会给轴承造成很大的麻烦。

  

  ↑滚子与滚道之间的接触应力↑

  比如说过大的应力反复碾压在滚道上,就有可能会造成轴承滚道上出现点蚀或者剥落的现象,这些现象虽然不会造成轴承彻底损坏,但是会让丝滑滚动的轴承变得坑坑洼洼,从而引起机械装置的异常。

  

  

  ↑疲劳裂纹导致的轴承滚道剥落↑

  而应力如果再大,就有可能导致内外环整个开裂,从而让机械装置完全不能运转。

  

  ↑轴承的开裂↑

  而除了过大应力产生的碾压,刚刚说到的滚子和保持架之间的撞击、保持架和滚道之间的撞击还会引起保持架的振动。别看这些撞击的力都不算大,但是积累起来却还是能够让保持架产生裂纹,直至碎裂。

  

  ↑航空发动机轴承保持架的疲劳裂纹↑

  另外,轴承振动起来之后,这些异常的振动会向外在航空发动机里蔓延,从而导致其他零件的振动破坏。

  而且在航空发动机里,由于转子高速转动产生过程中对轴承产生的力方向会变来变去,所以在变化过程中还有可能造成轴承滚子的打滑问题,这个过程就好像汽车行驶过程中忽然轮胎抱死一样,不仅会造成滚道的剧烈磨损,滚子对保持架的撕扯,甚至于摩擦产生的巨大热量会造成轴承整体的爆裂。

  

  ↑轴承滚道上的磨损↑

  

  ↑保持架的严重变形↑

  总之,由于轴承经受的巨大载荷和复杂的运动状态,造成轴承的损伤是多种多样的,因此轴承如何安全运转一直是各种旋转机械中最令人头疼的问题。而航空发动机中的轴承破坏还有一些特殊之处需要细细讲来。

  航空发动机中的轴承为什么尤其难

  为什么说航空发动机中的轴承设计起来尤其难呢?

  

  ↑航空发动机中的轴承位置↑

  有的朋友可能第一反应就是:因为航空发动机转速高,所以轴承难设计。这个说法有道理,因为对于比较大的航空发动机,转子工作转速在10000-20000转/分钟之间,对于小一些的航空发动机,这个转速甚至于可以接近40000转/分钟,也许大家没有直观的体验,但是我们平时见到的电扇转速大概是600转/每分钟左右,只有航空发动机转子转速的1.5%,所以在如此高的转速下,轴承的工作环境自然很恶劣。

  但是航空发动机的轴承可不止这一个困难。

  第一,温度是一个大问题。

  某些航空发动机中的轴承必须要距离发动机的燃烧室很近,会有大量的热量传导到轴承位置,再加上航空发动机中的空间比较局促,冷却润滑并非易事,所以航空发动机的轴承工作温度会比其他机械中的轴承高很多,这就对轴承本身的材料提出了一些要求。另外,温度提高之后轴承材料会发生膨胀,如果设计的不好,就有可能导致轴承出现较大的热应力,带来轴承的破坏。

  第二,航空发动机对轴承的振动更加敏感。

  航空发动机因为要减重,所以大量的零件是越做越薄,而越来越薄的零件最大的问题就是对振动非常敏感,稍有不慎就会产生振动破坏。而轴承中无时无刻不在发生的碰撞就有可能产生较大的振动能量,引起航空发动机其他零件的破坏。

  第三,也是最重要的,航空发动机是一种工况变化很大的机械。

  航空发动机是安装在飞机上的,飞机需要起飞、着陆、机动,所以对于航空发动机而言,在不同工况下,其转子转速、涡轮前温度还有转子变形都会有很大的变化。而在变化的过程中,轴承的运转不是单调的内环或者外环安稳地转动,而是前后上下左右地乱动,这也同样是极大的隐患。

  

  ↑内外环专门定制的航空发动机轴承↑

  航发轴承面临的不仅仅是技术问题

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  说航空发动机轴承难,实际上还不仅仅是技术问题。

  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”,可以说是两头受气。转子设计的不好,振动过大,结果转子没事儿,先把轴承振坏了;静子设计的不好,振动能量没有能够妥善消除,结果又是轴承倒霉。

  总之,发动机任何部件设计的不好,都有可能引起发动机中的连锁反应,而轴承作为整个发动机中的薄弱点,往往是最先遭殃的,所以表现出来就是:航空发动机老是会出现轴承损坏的故障。

  然后故障一出,明明故障的根源在于转子或者静子设计,但这些部件的设计部门什么事情没有,就只有轴承设计部门自己反思,真的是哭死这些员工了。

  实际上,航空发动机作为一个整体,其中的任何故障往往都是多个系统之间发生的连锁反应,如果每次只是头疼医头,脚疼医脚,轴承坏了就都是轴承设计的不好,那自然是治标不治本。轴承本来就已经很难了,却还要承受“不该承受之痛”,这就绝对不仅仅是技术问题了。

  尾声

  当然,回顾这篇文章的题目,“为什么千万不要去设计航空发动机轴承”,还是有点儿标题党的意味,事实上还有有很多的有志青年不畏艰难,投入到困难重重的航空发动机轴承研制中去,为中国航空发动机的发展做出了巨大的贡献,而之前大家只知其一,不知其二,不了解他们真实面临的问题,而看完了这篇文章,相信大家也能够体会他们的不易。

  

  望您读后可以顺手点亮""在看"

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