飞机轴承的发展趋势

飞机轴承的发展趋势 飞机轴承多种多样。NTN为全世界的喷气式发动机提供轴承。最近，应客户对轴承降低重量、减少环境污染和高性能的要求，轴承系统变得更加复杂，需要更高的可靠性和质量控制。 该论文记录了喷气式发动机主轴轴承的设计理论和行业发展趋势。1.简介 随着新兴市场的快速发展以及低成本航空公司的全球扩张（LCC），商用飞机的需求和销售稳定增长。飞机用到许多轴承，NTN也向许多关键喷气发动机制造商提供轴承。在该论文中，我们讨论了为NTN为飞机轴承、发动机轴承所做的工作，发动机轴承的使用条件非常严格。2.NTN为飞机轴承所做的工作 开发和生产航空产品需要相当高的技术。NTN已经在NTN 桑名工厂和NTN-SNR工厂建立了专用于航空领域的轴承生产车间，通过严格的质量控制保证产品的高可靠性和高精度。为了做到这一点，这些工厂利用客户认可的特殊工艺和通过国际认证项目NADCAP（国家航空和国防承包商认证项目）的合格检测仪器。航空行业的特殊工艺和不同客户的认证项目可能包括热处理、表面镀层&处理、无损试验，等等。此外，在无尘车间进行最终装配和检测工艺，客户授权质保代表做出成品发出决定。 另外，NTN开发产品包括混合轴承和渗氮轴承，其中混合轴承的滚动体为陶瓷，套圈为轴承钢，预计该类轴承的需求增加，渗氮轴承的滚动体和套圈都经过渗氮处理。NTN自己的试验机可评估轴承干运转性能，以确定使用时，即使润滑剂供应暂时中断，轴承是否出现卡死。 除了生产线外，NTN在日本和法国还有技术开发站。NTN以这些站点为中心，直接与主要喷气发动机制造商、直升机制造商和飞机制造商交易，这些制造商不仅仅来自法国和日本，来自全世界。最近，波音787使用的通用GENX发动机，空客A350可能采用Rolls Royce 最新XWB 发动机，三菱MRJ可能采用Pratt& Whitney的GTF发动机，这些发动机都使用了NTN的轴承，这提高了NTN在航空行业的份额。 除了发动机主轴外，NTN轴承还用在飞机的各种零部件中，比如：附件齿轮箱（AGB）、飞行控制系统（FCS）、起落架和辅助动力单位（APU）。3.喷气式发动机主轴轴承介绍3.1喷气式发动机的类型 飞机涡轮机发动机有四种类型：涡轮喷气发动机、涡扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机，前两种一般称为喷气式发动机。最常用的发动机是双轴涡扇发动机，特点是高效、低噪音；但是，有时也使用三轴发动机，它们能够优化压缩机设计。目前还有配置游星齿轮的GTF发动机，游星齿轮用于风扇减速。 图1示出涡扇发动机的基本结构。在该结构中，从发动机前面吸进去的空气由压缩机压缩，然后输送到燃料室，燃料在此燃烧，然后利用排气驱动涡轮机。涡轮机有两个驱动系统：压缩机驱动和风扇驱动，涡扇发动机的大部分推力来自风扇的排气。 图1 涡扇发动机的外形结构3.2喷气发动机主轴轴承所需特性 喷气发动机主轴轴承所需主要特征有： 适合高速旋转 适合高温中工作 高可靠性和可追溯性（1） 高速 评估轴承高速特性的一个指标是dn 值（轴承内圈内径（mm）内圈转速（min-1）。图2示出一般工业机械所用轴承的dn值。喷气发动机主轴轴承的条件是dn值超过2.0106，因此，它们必须具有良好的疲劳寿命和耐刮特性。此外，由于离心力，轴承内圈将承受巨大的环向应力；因此，还需要承受该力的断裂强度。图2 轴承的dn值（2） 高温 喷气发动机主轴轴承的工作温度约200。此外，涡轮机处于所谓的高温浸泡后状态，在此，温度储存起来，无处释放，即使发动机停止运动，温度也不能释放，这使得轴承温度超过300。因此，需要轴承在高温条件下保持低变形和高疲劳寿命。（3） 可靠性和可追溯性 因为飞机的安全性是必不可少的要求，所以要求轴承具有很高的可靠性。我们认真检查轴承生产的每一步，如材料的采购、锻压、磨削、热处理、车加工和表面处理，确定生产一致性，包括上面提到的各种认证内容，以确保轴承的高可靠性。 万一出现问题，比如轴承损伤，需要能够追踪各个工艺的生产数据。3.3 喷气发动机主轴轴承的主要特征（1）轴承类型 一般喷气发动机有两个主轴，一个用于高速/高压端的压缩机/涡轮机，一个用于低速/低压端的风扇/涡轮机。轴承的作用是支承它们。 如图3所示，喷气发动机主轴轴承的主要类型是三点接触球转盘轴承和圆柱滚子轴承。三点接触球转盘轴承支持轴向和径向载荷。 它们能够支承两个方向的轴向载荷。这些轴承的内圈可以分开，以便装入更多的钢球，保证大载荷下轴承具有长寿命。圆柱滚子轴承用作浮动端轴承，在承受径向载荷的同时，补偿发动机主轴的纵向膨胀/接触。 图4示出用于波音客机B767的主轴轴承。图3 喷气发动机轴承类型 （a）三点接触球轴承 （b）圆柱滚子轴承图4 喷气发动机主轴轴承示例（2） 轴承材料 喷气发动机主轴轴承的材料应具有长寿命、尺寸稳定性、高强度和高耐磨性，特别是高温条件，更需要这些特性。套圈和滚动体一般使用高速钢，如钼基 AISI M50，或者钨基T1。如图5所示，300时，M50的硬度在58HRC左右，并且具有高尺寸稳定性。 如果轴承高速旋转，离心力将作用于内圈，同时内圈圆周方向的张应力（环向应力）增加。如果是全淬钢，如M50，一旦内圈出现剥落，裂纹就会快速发展，导致内圈断裂。因此，可能使用耐热渗碳钢AISI M50NiL。图7示出断裂强度比较结果。 保持架一般使用SAE4340钢，硬度在30HRC左右。 一般情况下，航空轴承必须使用经飞机制造商或发动机制造商认证的材料。 NTN也从通过发动机制造认证的供应商那里采购材料。图5 高温时轴承钢的硬度 图6 作用于轴承内圈的环向应力 图7 断裂韧性比较（3）轴承设计 为了缓冲高速造成的主轴振动，外圈使用具有减震功能的弹簧，图8所示，弹簧由油阻尼器支承。目前，为了减轻重量，减少零件数量，减震零件很可能和外圈一起使用。 图9 示出商用轴承实例。 因为径向力和内圈驱动滚子所需的力相对较小，圆柱滚子轴承的承载能力较低，只需支承主轴重量。滚子和滚道之间的滑动可能导致早期磨损。因此，在某些情况中，外径成椭圆形，因此，当它们装入轴座时，预负荷施加给滚子。 图8 组合轴承 图9 轴承的组合模型（a） 离散状态（b） 已安装状态图10 非真圆圆柱滚子轴承（4） 润滑 早期喷气发动机使用矿物质基油SAE1010作为润滑剂，但是，高温条件下，其快速氧化分解，影响轴承寿命。 解决该挑战的第一种方法是合成脂基质MIL-L7808的开发。然后，MIL-L-23699的载荷能力得以提高，现在MIL-PRF-23699广泛用作喷气发动机的润滑剂。此外，开发出高温下具有优秀氧化稳定性和耐污性的润滑油，并且已经标准化，如MILPRF-23699HTS。与之相随的还有，传统的润滑油MIL-PRF-23699已经标准化为MIL-PRF-23699 STD。 润滑剂必须达到轴承的滚动接触表面和保持架引导面与导向面之间的接触区。因此，需要强制润滑，比如用油嘴注入高速润滑剂的油喷射润滑（见图11）。 随着主轴的高速旋转，滚动体和保持架旋转形成空气“墙”，或者叫做“空气幕布”，阻止喷嘴注入充足的润滑油。在该情况中，利用滚道中润滑借助离心力把润滑油送到需求区。图12示出滚道中润滑实例。 从喷嘴中喷射出的润滑油进入油勺，然后导入主轴。接着，借助离心力把润滑油注入轴承内。由于滚道中润滑直接把润滑油输送到轴承内圈，因此对轴承的冷却效果比喷油润滑好。图11 喷油润滑图12 滚道中润滑（5）表面处理 在保持架引导面，保持架和沟道挡边之间的滑动摩擦无法避免；因此，需要它们具有良好的摩擦特性和耐磨特性。为了获得良好的摩擦特性，要求确保润滑油到达保持架引导面，并且使用上面提到的滚道中润滑法。此外，保持架表面镀银，以避免同类金属之间的接触。银镀层的主要标准是AMS2414. 图13所示的滚动轴承套圈引导保持架旋转的表面可能是TiN镀层，这是一种硬陶瓷，可以提高耐磨损性能。图13 TiN 镀层3.4 喷气发动机主轴轴承的技术开发 现在的喷气发动机设计的能够在高温下工作，而且油耗低，重量轻，喷气发动机主轴轴承变得更加复杂。因此，必须提高轴承的可靠性。我们正从以下几方面实现此项重要开发任务：1）表面修整 轴承性能降低的主要原因是剥落和粘连，这主要是表面缺陷造成的，如硬异物造成的凹痕。 为了减少这种性能下降、达到高可靠性，我们正在通过表面修整改善滚道淬硬工艺。2）滚动体材料 我们正在考虑使用较轻、摩擦性能和耐磨性能较好的陶瓷（Si3N4）（比重约为M50的40%），以降低高速旋转造成的滚道套圈和滚动体之间的接触压力。但是，由于喷气发动机主轴轴承要求有很高的可靠性，我们正在开发用于检测缺陷的高精度无损检测法。4.结论 飞机的各个部位，包括喷