渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸承高溫高速性能研究新進(jìn)展

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空器的核心動(dòng)力裝置，其性能與可靠性直接關(guān)系到飛行器的整體性能。軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)的“關(guān)節(jié)”，在高速、高溫的極端工況下，其性能表現(xiàn)成為決定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命與可靠性的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸承高溫高速性能研究領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。

01 材料創(chuàng)新：從傳統(tǒng)鋼到陶瓷復(fù)合

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的性能突破，材料創(chuàng)新是核心驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)軸承鋼如GCr15和Cr15Mo4，其耐溫極限僅為200-280℃，無(wú)法滿足現(xiàn)代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫工況。

M50鋼（化學(xué)成份為Cr4Mo4V）將軸承的長(zhǎng)期工作溫度提升至315℃，短期可承受430℃的高溫。通過(guò)特殊熱處理工藝，使軸承圈硬度達(dá)到HRC62-64，顯著提升了耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

氮化硅陶瓷成為高溫軸承的理想材料。與傳統(tǒng)軸承鋼相比，氮化硅陶瓷球密度更低，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力小，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)。陶瓷材料在1100℃高溫下仍能保持高硬度，且與鋼有優(yōu)良的摩擦配伍性能，即使在干摩擦情況下摩擦系數(shù)也能穩(wěn)定在0.2以下。

國(guó)內(nèi)研發(fā)的高精度陶瓷混合軸承，采用ABEC 7精度（P4級(jí)），使用氮化硅陶瓷球，顯著提高了部件壽命，尤其適合高速、長(zhǎng)耐久性的應(yīng)用場(chǎng)景。

02 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破：精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)熱膨脹

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)85000轉(zhuǎn)/分鐘，工作溫度約350℃。針對(duì)這一極端工況，研究人員開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新的熱膨脹控制結(jié)構(gòu)。

一種新型高溫高速高精度軸承采用獨(dú)特的熱膨脹游隙設(shè)計(jì)。軸承在常溫裝配時(shí)保留適當(dāng)?shù)膹较蚝洼S向游隙，當(dāng)工作溫度升至350℃時(shí)，軸承內(nèi)圈和外圈自由膨脹至預(yù)定滾動(dòng)位置，游隙逐漸減小為零，此時(shí)軸承達(dá)到好的工作狀態(tài)。

接觸角優(yōu)化也是提升性能的關(guān)鍵。將軸承曲面滾道接觸角設(shè)置在20-25度之間，能夠優(yōu)化軸承在高速工況下的應(yīng)力分布，提高使用壽命。有研究還針對(duì)質(zhì)量為3kg的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，在85000轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下的連續(xù)工作需求，進(jìn)行了專門的軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

03 潤(rùn)滑系統(tǒng)升級(jí)：從傳統(tǒng)噴射到環(huán)下供油

潤(rùn)滑系統(tǒng)是保障軸承高溫高速性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的噴射供油方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在高DN值（軸承內(nèi)徑mm×轉(zhuǎn)速r/min）條件下，潤(rùn)滑效果受限。當(dāng)DN值大于2.5×10^6時(shí)，潤(rùn)滑油難以有效進(jìn)入軸承內(nèi)部。

環(huán)下供油技術(shù)針對(duì)高速工況進(jìn)行了優(yōu)化。該技術(shù)將滑油通過(guò)噴嘴噴射到收油裝置，在離心力作用下通過(guò)滑油通道直接進(jìn)入軸承滾道，大大提高了潤(rùn)滑效率。

當(dāng)軸承DN值大于2.5×10^6時(shí)，環(huán)下供油成為更優(yōu)選擇，如CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的止推軸承就采用了這一方案。

針對(duì)潤(rùn)滑油的特殊工況，研究人員還發(fā)現(xiàn)了氫致磨損現(xiàn)象。在高溫高速條件下，潤(rùn)滑油變質(zhì)析出的氫原子會(huì)滲入套圈表面的微裂紋，導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象，加速材料磨損。這為潤(rùn)滑油的配方優(yōu)化提供了重要方向。

04 失效機(jī)理與可靠性提升

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的失效模式與常規(guī)軸承有顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，在高速高溫條件下，軸承會(huì)出現(xiàn)“軟磨硬”異常磨損現(xiàn)象。

較軟的保持架（硬度HRC33-37）反而會(huì)使淬硬的套圈（硬度HRC60-64）嚴(yán)重磨損。這是由于保持架高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的高頻沖擊導(dǎo)致的異常磨損形式。

針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員提出了表面改性技術(shù)。通過(guò)套圈保持架表面離子注入改性技術(shù)，可以顯著提高材料的摩擦學(xué)性能?；旌咸沾奢S承技術(shù)也能有效解決“軟磨硬”問(wèn)題，因陶瓷與鋼在高溫下不會(huì)出現(xiàn)粘接咬死等惡性失效。

軸承的熱失穩(wěn)是另一重要失效機(jī)理。當(dāng)軸承內(nèi)部溝曲率系數(shù)由0.54減小到0.515時(shí)，發(fā)熱量會(huì)提高90%，極易導(dǎo)致熱失穩(wěn)。通過(guò)優(yōu)化軸承幾何參數(shù)和材料選擇，可有效抑制熱失穩(wěn)現(xiàn)象。

05 性能跨越：

中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從追趕到跨越。上世紀(jì)80年代，國(guó)產(chǎn)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承翻修壽命不足200小時(shí)，而同期西方國(guó)家產(chǎn)品壽命已達(dá)上千小時(shí)。

近年來(lái)，中國(guó)軸承技術(shù)取得重大突破。2017年，中國(guó)突破了錸單晶槳葉技術(shù)難關(guān)，將軸承公差在0.005毫米以內(nèi)。

2022年，研發(fā)成功的第三代主軸承抗疲勞技術(shù)更將壽命提升至5萬(wàn)小時(shí)，達(dá)到世界水平。

這些突破不僅應(yīng)用于航空領(lǐng)域，還擴(kuò)展到航天探測(cè)器等高技術(shù)裝備，如天問(wèn)系列和嫦娥系列探測(cè)器都受益于軸承技術(shù)的進(jìn)步。

未來(lái)，隨著材料科學(xué)、表面工程和潤(rùn)滑技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的性能邊界還將不斷拓展。碳化硅、碳化鈦等新型陶瓷材料有望將軸承的工作溫度提升至650℃甚至更高。

智能軸承概念也逐漸浮現(xiàn)，通過(guò)內(nèi)置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，將進(jìn)一步提升渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與使用壽命。軸承技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，將為航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。