張 翼，胡廣存，滿維偉

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速、壽命等要求日益嚴(yán)苛，傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承變得越來越難以滿足要求。陶瓷球比鋼球具有良好的耐腐蝕，耐磨損和抗斷油能力。氮化硅的密度是鋼的40%，球體對(duì)外滾道具有更小的離心力，使用陶瓷球可以提高滾道材料為M50鋼的軸承可承載的最大工作溫度[1]。國(guó)內(nèi)混合陶瓷球軸承主要在機(jī)床主軸[2]、高速電主軸[3]、化工機(jī)械等應(yīng)用較為廣泛，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承較少應(yīng)用混合陶瓷球軸承。將已有航空發(fā)動(dòng)機(jī)全鋼軸承改制為混合陶瓷球軸承，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)首翻期壽命，降低滑油系統(tǒng)溫度特性具有重要研究意義。

本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)前支點(diǎn)雙半內(nèi)圈角接觸球軸承為試驗(yàn)對(duì)象，更換滾動(dòng)體材料，其他參數(shù)保持不變，通過軸承性能試驗(yàn)，包括承載能力試驗(yàn)與滑油中斷試驗(yàn)，對(duì)比軸承外圈工作溫度，為發(fā)動(dòng)機(jī)軸承改制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)軸承主參數(shù)

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)雙半內(nèi)圈角接觸球軸承為試驗(yàn)對(duì)象，軸承主參數(shù)如下，軸承內(nèi)徑45 mm，外徑為75 mm，鋼球數(shù)量15個(gè)，鋼球直徑9.128 mm，徑向游隙為0.060～0.08 mm，軸向游隙為0.160 ～ 0.230 mm，接觸角為（28±4）°，套圈材料M50鋼，鋼制軸承滾動(dòng)體材料M50鋼，混合陶瓷球軸承滾動(dòng)體材料為陶瓷（Si3N4）。

2 試驗(yàn)方案與載荷譜

2.1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段

試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段如圖1所示，支點(diǎn)軸承1為全鋼軸承，支點(diǎn)軸承2為混合陶瓷球軸承。承載能力試驗(yàn)中鋼制軸承與混合陶瓷球軸承都為試驗(yàn)件?；椭袛嘣囼?yàn)中，在支點(diǎn)軸承2處，先后分別安裝一套混合陶瓷球與鋼制軸承，分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在高速軸承試驗(yàn)器上開展，試驗(yàn)器轉(zhuǎn)速5 000～50 000 r/min，徑向加載載荷100 N～10 kN，軸向加載載荷100 N～20 kN。

圖1 試驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)載荷譜

試驗(yàn)譜包含承載能力譜和滑油中斷譜，承載能力譜如表1所示?；椭袛嘣囼?yàn)載荷譜考核軸承在斷油30 s后恢復(fù)供油30 min內(nèi)的抗斷油能力，滑油中斷時(shí)和恢復(fù)斷油后的載荷譜相同，轉(zhuǎn)速43 000 r/min，徑向載荷230 N，軸向載荷2 200 N。試驗(yàn)軸承供油溫度：80 ℃，供油流量：（1.3～1.4）L/min。

表1 承載能力試驗(yàn)載荷譜

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 承載能力試驗(yàn)

混合陶瓷球軸承與全鋼制軸承外圈溫度對(duì)比如圖2所示。混合陶瓷球軸承在相同潤(rùn)滑與載荷條件下，試驗(yàn)外圈溫度低于鋼制軸承外圈溫度。在序號(hào)6～序號(hào)10等高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)狀態(tài)，陶瓷球軸承外圈溫度比全鋼制軸承溫度低15℃左右。序號(hào)1～序號(hào)5等狀態(tài)，混合陶瓷球軸承外圈溫度比全鋼制軸承溫度低3℃～10℃左右。

圖2 承載能力軸承外圈溫度對(duì)比

3.2 滑油中斷試驗(yàn)

鋼制軸承在進(jìn)行滑油中斷24 s時(shí)，軸承外圈溫度升高到235℃，達(dá)到試驗(yàn)器保護(hù)停車值?；旌咸沾汕蜉S承滑油中斷過程中，試驗(yàn)軸承外圈溫度最高為206℃，軸承外圈溫度變化平穩(wěn)。試驗(yàn)恢復(fù)供油后，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常，軸承外圈最高溫度為146℃，滑油中斷試驗(yàn)軸承外圈溫度對(duì)比如圖3所示。

圖3 滑油中斷試驗(yàn)軸承外圈溫度對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)混合陶瓷球軸承和鋼制軸承進(jìn)行分解檢查，軸承形貌正常，如圖4所示，套圈工作滾道未產(chǎn)生變色等高溫特性。陶瓷球形貌完整，未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡。

圖4 混合陶瓷軸試驗(yàn)滑油中斷后形貌

4 結(jié)束語

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙半內(nèi)圈球軸承為試驗(yàn)對(duì)象，通過將鋼球更換為陶瓷球開展性能試驗(yàn)，對(duì)比混合陶瓷球軸承與鋼制軸承外圈溫度，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)鋼制球軸承的改制提供試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）滑油中斷試驗(yàn)中混合陶瓷球軸承以較低的軸承外環(huán)工作溫度通過了滑油中斷試驗(yàn)，證明了混合陶瓷球軸承具備更好的抗斷油能力。

（2）承載能力試驗(yàn)中混合球軸承在高轉(zhuǎn)速下工作溫度明顯低于全鋼軸承，表明混合陶瓷球軸承在高轉(zhuǎn)速下具有更好的溫升性能。