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為什么千萬不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承（上）說到，在高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，只有少數(shù)幾個(gè)滾子吃著力，并且在軸承的方寸之地中，滾子、保持架、內(nèi)外環(huán)之間各種亂碰亂撞，那么如此混亂的場景中，到底隱藏著什么巨大隱患呢？
軸承壞掉的100種方法
其實(shí)在了解了軸承內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之后，就很容易理解軸承會(huì)怎么壞掉了。
首先，軸承中的滾子并不會(huì)均勻受力，而是由少數(shù)幾個(gè)滾子承受絕大部分的力，這就導(dǎo)致軸承滾子受到的力很大，同時(shí)我們還應(yīng)該注意到，滾子實(shí)際上是圓球或者圓柱體，這些滾子與滾道之間的接觸面積非常小，所以會(huì)在材料內(nèi)部形成很大的應(yīng)力，這些應(yīng)力時(shí)不時(shí)地就會(huì)給軸承造成很大的麻煩。
滾子與滾道之間的接觸應(yīng)力
比如說過大的應(yīng)力反復(fù)碾壓在滾道上，就有可能會(huì)造成軸承滾道上出現(xiàn)點(diǎn)蝕或者剝落的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象雖然不會(huì)造成軸承徹底損壞，但是會(huì)讓絲滑滾動(dòng)的軸承變得坑坑洼洼，從而引起機(jī)械裝置的異常。
疲勞裂紋導(dǎo)致的軸承滾道剝落
而應(yīng)力如果再大，就有可能導(dǎo)致內(nèi)外環(huán)整個(gè)開裂，從而讓機(jī)械裝置完全不能運(yùn)轉(zhuǎn)。
軸承的開裂
而除了過大應(yīng)力產(chǎn)生的碾壓，剛剛說到的滾子和保持架之間的撞擊、保持架和滾道之間的撞擊還會(huì)引起保持架的振動(dòng)。別看這些撞擊的力都不算大，但是積累起來卻還是能夠讓保持架產(chǎn)生裂紋，直至碎裂。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承保持架的疲勞裂紋
另外，軸承振動(dòng)起來之后，這些異常的振動(dòng)會(huì)向外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里蔓延，從而導(dǎo)致其他零件的振動(dòng)破壞。
而且在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里，由于轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生過程中對(duì)軸承產(chǎn)生的力方向會(huì)變來變?nèi)?，所以在變化過程中還有可能造成軸承滾子的打滑問題，這個(gè)過程就好像汽車行駛過程中忽然輪胎抱死一樣，不僅會(huì)造成滾道的劇烈磨損，滾子對(duì)保持架的撕扯，甚至于摩擦產(chǎn)生的巨大熱量會(huì)造成軸承整體的爆裂。
軸承滾道上的磨損
保持架的嚴(yán)重變形
總之，由于軸承經(jīng)受的巨大載荷和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成軸承的損傷是多種多樣的，因此軸承如何安全運(yùn)轉(zhuǎn)一直是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最令人頭疼的問題。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承破壞還有一些特殊之處需要細(xì)細(xì)講來。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承為什么尤其難
為什么說航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承設(shè)計(jì)起來尤其難呢？
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承位置
有的朋友可能第一反應(yīng)就是：因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以軸承難設(shè)計(jì)。這個(gè)說法有道理，因?yàn)閷?duì)于比較大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在10000-20000轉(zhuǎn)/分鐘之間，對(duì)于小一些的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)轉(zhuǎn)速甚至于可以接近40000轉(zhuǎn)/分鐘，也許大家沒有直觀的體驗(yàn)，但是我們平時(shí)見到的電扇轉(zhuǎn)速大概是600轉(zhuǎn)/每分鐘左右，只有航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的1.5%，所以在如此高的轉(zhuǎn)速下，軸承的工作環(huán)境自然很惡劣。
但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承可不止這一個(gè)困難。
第一，溫度是一個(gè)大問題。
某些航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承必須要距離發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室很近，會(huì)有大量的熱量傳導(dǎo)到軸承位置，再加上航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的空間比較局促，冷卻潤滑并非易事，所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承工作溫度會(huì)比其他機(jī)械中的軸承高很多，這就對(duì)軸承本身的材料提出了一些要求。另外，溫度提高之后軸承材料會(huì)發(fā)生膨脹，如果設(shè)計(jì)的不好，就有可能導(dǎo)致軸承出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力，帶來軸承的破壞。
第二，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)軸承的振動(dòng)更加敏感。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)橐獪p重，所以大量的零件是越做越薄，而越來越薄的零件最大的問題就是對(duì)振動(dòng)非常敏感，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)破壞。而軸承中無時(shí)無刻不在發(fā)生的碰撞就有可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)能量，引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件的破壞。
第三，也是最重要的，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種工況變化很大的機(jī)械。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是安裝在飛機(jī)上的，飛機(jī)需要起飛、著陸、機(jī)動(dòng)，所以對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在不同工況下，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、渦輪前溫度還有轉(zhuǎn)子變形都會(huì)有很大的變化。而在變化的過程中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)不是單調(diào)的內(nèi)環(huán)或者外環(huán)安穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是前后上下左右地亂動(dòng)，這也同樣是極大的隱患。
內(nèi)外環(huán)專門定制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承
航發(fā)軸承面臨的不僅僅是技術(shù)問題
說航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承難，實(shí)際上還不僅僅是技術(shù)問題。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承作為連接轉(zhuǎn)動(dòng)件和非轉(zhuǎn)動(dòng)件之間的“交界面”，可以說是兩頭受氣。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的不好，振動(dòng)過大，結(jié)果轉(zhuǎn)子沒事兒，先把軸承振壞了；靜子設(shè)計(jì)的不好，振動(dòng)能量沒有能夠妥善消除，結(jié)果又是軸承倒霉。
總之，發(fā)動(dòng)機(jī)任何部件設(shè)計(jì)的不好，都有可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)中的連鎖反應(yīng)，而軸承作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的薄弱點(diǎn)，往往是最先遭殃的，所以表現(xiàn)出來就是：航空發(fā)動(dòng)機(jī)老是會(huì)出現(xiàn)軸承損壞的故障。
然后故障一出，明明故障的根源在于轉(zhuǎn)子或者靜子設(shè)計(jì)，但這些部件的設(shè)計(jì)部門什么事情沒有，就只有軸承設(shè)計(jì)部門自己反思，真的是哭死這些員工了。
實(shí)際上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)整體，其中的任何故障往往都是多個(gè)系統(tǒng)之間發(fā)生的連鎖反應(yīng)，如果每次只是頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳，軸承壞了就都是軸承設(shè)計(jì)的不好，那自然是治標(biāo)不治本。軸承本來就已經(jīng)很難了，卻還要承受“不該承受之痛”，這就絕對(duì)不僅僅是技術(shù)問題了。
尾 聲
當(dāng)然，回顧這篇文章的題目，“為什么千萬不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承”，其實(shí)是有點(diǎn)兒“標(biāo)題黨”的意味，事實(shí)上還有有很多的有志青年不畏艱難，投入到困難重重的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承研制中去，為中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，而之前大家只知其一，不知其二，不了解他們真實(shí)面臨的問題，而看完了這篇文章，相信大家也能夠體會(huì)他們的不易。
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