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航空发动机传动的“关节”:轴承

发布时间:2018-10-09
(来源:中国航空新闻网)
  顾名思义,轴承就是给各种轴类结构(如转轴、心轴、传动轴)起支承作用的部件的总称。从原理上说,轴承是把具有相对转动,或者允许有相对转动的两个部件之间联系在一起,以高效、平稳地实现支承作用。轴承就像实现肢体运动的关节一样不可或缺,人们形象地把它比作机械系统的“关节”。现代工业中,较为常见的轴承类型有滚动轴承、油膜轴承、电磁轴承、气浮轴承等(如图1)。
 图1 几种常见的轴承
  值得指出的是,轴承的雏形很早就已经形成了。在没有大型动力设备的古代社会,人们为了移动大型石料,通常在其底部放置若干圆木,推动石料,利用圆木的滚动实现石料的前移。这种朴素的思想所蕴含的基本道理与现代滚动轴承的设计初衷是一致的。文艺复兴时期伟大的画家和科学家达·芬奇就在绘制的手稿中展示过他所构想的轴承(如图2)。可以看出,这种设计与现代滚动轴承的结构非常接近。
 图2 达·芬奇绘制的轴承手稿
  随着近代工业文明的到来,轴承迎来了发展历史上的春天。巨大的需求推动着轴承技术高歌猛进,也成就了轴承工业的蓬勃发展。单就滚动轴承而言,种类繁多,甚至可以用眼花缭乱来形容。它的体量跨度很大,大者直径可达数米(如图3),小则只有借助放大镜才能完成装配过程;它的转速范围很宽,从静止到每分钟上百万转的转速都可以运转自如;它的应用范围很广,天上的飞机、火箭,地面的汽车、轮船,地下开掘隧道的盾构机等都离不开它,其踪迹可谓“上穷碧落下黄泉”。
 图3 大型球面滚子轴承
  通常来说,滚动轴承由滚动体、保持架、内滚道和外滚道组成。此外,为了防止润滑油的泄漏和污染,密封圈也是很多滚动轴承都会配装的零件。根据滚动体、保持架、内滚道、外滚道的结构形状、材料、装配形式等的不同,滚动轴承可以进行不同的分类。比如,以滚动体的结构形状进行分类,滚动轴承可以分为:深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、球面滚子轴承、圆锥滚子轴承和推力圆锥滚子轴承等。此外,为了能承受较大的载荷,有些滚动轴承还会做成两排或多排的形式,如双列角接触球轴承和四列圆锥滚子轴承。
  航空发动机是现代工业技术的集大成者,轴承在航空发动机中发挥着重要的作用。综合考虑传动效率、结构可靠性、振动、润滑等方面的要求,航空发动机采用的轴承主要是滚动轴承。而且滚动轴承集中应用在两个主要部位——传动系统和转子系统(如图4)。
图4 商用航空发动机的主轴承位置
  航空发动机传动系统中所用的轴承与其他领域应用的普通轴承相比,结构相似,但是转速比较高,对重量和可靠性的要求也更加苛刻,如图5所示是航空发动机齿轮箱中所用的轴承。另外,某些大涵道比涡扇发动机所采用的齿轮驱动风扇结构,也是采用滚动轴承实现行星架和行星齿轮之间的运动联系。
图5 航空发动机附件传动齿轮箱轴承
  航空发动机转子系统轴承支承着整个发动机最核心的系统,是发动机中最重要的轴承,通常称作主轴承。航空发动机主轴承具有转速高、工作环境温度高、载荷复杂的特点。如果把航空发动机转子系统比作一位跳芭蕾的舞者,主轴承就是她的足尖,优雅的旋转、绝佳的平衡莫不与其息息相关。正如精湛的舞姿需要付出超常的努力一般,主轴承也是经过了千锤百炼以后才练就了一身绝技。科学家和工程师们本着“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫厘,心穷筹策”的科学精神与工匠精神,克服了材料选择、结构设计、润滑设计、可靠性设计等诸多难题,才成就了主轴承超凡的工作性能。
  根据滚动体的形状,主轴承可以分为圆柱滚子轴承(如图6)和角接触球轴承。但它们与其他旋转机械中相同类型的轴承有明显的区别。通常来说,无论是圆柱滚子型主轴承还是角接触型主轴承,结构都比较复杂。主轴承的外圈通常都会加工出一些特殊的结构,这样处理既可以减重,又便于与发动机其他部件进行配装。此外,轴承的内环通常做成分半式的,这种设计不仅仅是为了便于装配,更重要的是使轴承在承受机动载荷时仍能实现平稳可靠的支承作用。
 图6 航空发动主轴圆柱滚子轴承
  实际上轴承绝不仅仅是大家通常所见到的几个组件装配而成的结构,这个小部件也有一个大世界,它涉及材料、工艺、运动学、动力学、摩擦学、传热学、流体力学等诸多方面,而这些通常看不到的技术细节才是决定轴承性能的关键。轴承这个小部件之所以能发挥这么广泛而重要的作用,与科技工作者们精益求精、追求完美的精神是分不开的。

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