用單列滾珠軸承代替雙列軸承，用單列滾珠軸承代替雙列軸承在早期的一些發動機中,為了承受較大的轉子的軸向力,曾將兩個滾珠軸承並聯一起使用,如JT8D的四號軸承(如圖25所示)與 WP7的壓氣機前支點等。在這種設計中,應該使整個軸向力在兩個軸承中均勻分擔;但實際由於製造及裝配的誤差,很難做到均分,結果可能形成了70%、30%的分配比例,這對軸承的疲勞壽命有很大影響。
目前,由於有了高純度的、高質量的真空熔煉的軸承鋼(如 CEVMM-50),因而在20世紀70年代以後研製的發動機中,很少採用並列的滾珠軸承,而廣泛地採用單列滾珠軸承。
航空發動機主軸承的轉速,一般均超過軸承產品目錄中規定的極限轉速,按通常的軸承壽命計算方法(在美國常用的是抗摩軸承製造商協會 AFBMA的計算標準)很難計算航空軸承的壽命。這是因為這些計算方法均是在多年前的技術基礎上發展起來的。它不能很好地反映當前技術發展的水平。例如在軸承壽命的標準計算公式中,沒有包括對軸承壽命有很大影響的一些因素,諸如:
(1)軸承選用的材料;
(2)材料的加工過程,如真空熔煉技術,成形方式,熱處理過程,材料的纖維走向等;(3)潤滑劑與添加劑的性能,潤滑劑中汙染物的影響; (4)彈性流體力學的影響; (5)速度的影響(由於速度的增加,使離心載荷、接觸應力與發熱量增大)等等。
因此,目前航空發動機主軸承的壽命,一般是通過全尺寸的軸承試驗來確定的,或者根據使用經驗對計算結果進行某些修正而確定的。
例如,GE公司在計算發動機主軸承壽命時,如果軸承是用普通的SAE52100鋼做的,滑油採用雙酯類的 MILL 7808合成滑油,其壽命比 AFBMA公式計算值低15%;在採用同樣的滑油,用消耗電極真空熔煉的 M 50材料做的軸承,其壽命為計算值的3~5倍。
這個修正係數已經 NASA的試驗所證實。NASA的試驗還指出,如採用烴類合成石蠟潤滑油,在高溫下 M 50的壽命比 AFBMA計算值高13倍。
德國FAG軸承公司於1989年提出了考慮航空軸承使用條件對軸承壽命影響較大的一些因素,對傳統的軸承壽命公式進行修正,得出了用於航宇業的軸承可達到的(修正過的)壽命計算方法。由於FAG軸承公司是向航空發動機製造廠提供發動機主軸承的主要供應商之一(2003年其市場份額約佔全球32%),他們發展的軸承壽命計算方法有較大的參考與實用價值。經徵求FAG軸承公司同意在本文中引用該公式,現將整理改寫的「FAG用於航宇軸承可達到的(修正過的)壽命計算方法」內容加入本文。
FAG公司用於航宇軸承的壽命計算方法
用於航空、太空飛行器中的航宇軸承是一種特殊產品,經常使用於嚴酷的工作條件下,因此需要採用特殊的材料、加工過程與質量控制。這種軸承的成本通常比軸承目錄中類似的大批生產的軸承高出100倍,且產量較低,一般約為年產10~1000套。每套軸承均標有生產序列號,因此可對每套軸承進行長達50年的跟蹤。
對於航宇軸承的設計及理論計算方法可以參照一般軸承的設計方法,但由於有更多工作條件(轉速、溫度與可靠性等)的要求,因而發展和延伸出了一些新的的方法。疲勞壽命的確定就是一例,要採用從多年外場使用及臺架試驗中獲得專門的知識。
通過疲勞壽命試驗驗證現有的半經驗壽命估算公式已成為傳統的方法。在高應力值實驗中,通過這種方法可以減少費用和縮短試驗時間,並能與現有的一些數據進行比較。許多現有數據是美國NASA/Lewis在20世紀60年代發布的。從高應力值試驗中得出的數據證實了幾十年前被軸承業採用的載荷 壽命公式中的指數p為恆定值(如對於點接觸,p=3,對於線接觸,p=10/3)。這個結果很容易被通用軸承及齒輪工業所接受,因為在這些行業的應用中也經常出現高應力情況。
儘管有很多事實表明在低負荷時實際壽命會比由壽命計算公式得出的結果高出一兩個數量級,但綜合考慮,航空工業中還是採用了這個概念。對於低負荷情況,常用的補償措施是引入另一個經驗係數———壽命增長係數,其範圍為5~50甚至更大。
FAG公司採用了比以前周期更長的低應力試驗。這是一個高投入的曠日持久的任務。他們發現傳統的恆定p值在低應力時與試驗結果相矛盾,並指出對於點接觸軸承,低於一定應力(大約3000MPa)時,實際應力 壽命曲線將偏離由恆定指數得出的直線,而壽命指數將隨著應力值的降低而增加,最後成為水平直線,即達到無窮大。通過試驗得到的應力 壽命曲線與著名的Woehier曲線相符,水平直線部分表示持久極限,即當應力低於一定值時,不會發生疲勞損壞。在理想工作條件下,「理論持久極限」約在2400MPa;「實際持久極限」在低溫條件下定為2000MPa。
如果最大赫茲應力值總是低於持久極限且沒有其他應力(例如,由於不對中所產生的應力或由於邊界潤滑或潤滑劑汙染物等產生的表面剪切應力),軸承的滾動接觸的壽命是無法計算的,也是無窮大的。SAE52000及SAEM50軸承鋼在相同的條件且在低溫(低於100℃)條件下測得也是同樣的結果。在溫度較高的條件下,不同的軸承鋼的持久極限則有很大不同。
在不同應力水平下,使用恆定的壽命係數會導致潛在的問題,即如果將在一種特定的應用中建立起來的恆定壽命增長係數,用於另一種應用,會出現很大的問題。若對工作於較高應力水平的軸承應用這種恆定的係數,預計的軸承壽命將大於實際可達到的壽命,也就是說軸承的實際壽命達不到預計壽命。
FAG提出的疲勞壽命計算是基於 DIN/ISO281標準的,且考慮到了載荷、潤滑膜厚度、潤滑劑添加劑、雜質和軸承類型等的影響。FAG發現從在應力指數fs大於8且潤滑劑清潔的在彈性流體動力(EHD)油膜條件下的滾動接觸疲勞的觀點看,滾動軸承能達到持久壽命。持久壽命的應力條件為應力係數fs。
fs>8 (僅用於非常高的系統潔淨度及完全彈性流體動力學油膜)
FAG公司全面考慮了航宇軸承的工作特點,並且吸收了從實際使用及臺架試驗中所獲得經驗,將常用的軸承壽命計算公式進行了修正,成為用於航宇軸承的可達到(修正過的)軸承壽命計算公式。該修正計算公式公布於1989年,此後該司為眾多航空發動機提供的主軸承均用此方法計算軸承的壽命。
FAG公司提出的可達到(修正過的)軸承的壽命公式表達為
工作條件係數a23
在可達到(修正過的)軸承的壽命公式的第3項中為a2311,a2311=S·a23,其中,S為潔淨度係數,a23為工作條件係數。
工作條件係數a23,從以下圖表中獲得。這是考慮彈性流體動力油膜、潤滑油添加劑、潔淨度、載荷及軸承形式等影響的係數。
根據軸承形式、潤滑劑是否有添加劑及應力係數fs從表7中查出K1與K2值,再按K1+K2之和由表8中查出a23在圖27中所在區域,根據參數λ,即可由圖27得出工作條件係數a23
改進生產工序和檢測方法後的FAG航空軸承的質量可靠性係數為fr。
用於滾珠軸承、向心滾棒軸承以及承受軸向載荷的圓錐滾棒軸承時,fr=2;用於其他軸承時,fr=1(特殊情況須得到FAG同意)。
10.2.7 潔淨度係數S
軸承系統需要非常潔淨的潤滑油和非常好的過濾系統。整個軸承及潤滑系統在開始工作前必須全面清洗。為達到啟動初期要求的高系統潔淨度,特別推薦採用本文10.3中提出的預清洗概念。
潤滑油中的汙染物對軸承壽命的影響顯得非常重要,這也是 FAG航宇軸承壽命計算方法中要考慮實際系統潔淨度的原因。考慮到實際的系統潔淨度和滾動體的尺寸,定義了汙染參數V,V可由表10求得。例如:V=0.3時,用於非常潔淨的系統(理想);V=0.5時,用於相對潔淨的系統;V≥1.0時,用於含有很多汙染物的系統。
表10、汙染參數V（在潤滑油或油脂中有硬度大於50HRC的汙染物顆粒）
在此,不釆用具有較粗過濾度β25≥75的油濾,因為它會對其他零組件有壞的影響。過濾度可定義為:如果β3=200(DINISO4572),則意味著每200個尺寸為3μm的汙染物顆粒中僅有1粒汙染物顆粒流過油濾。
潔淨度係數S可根據前述的應力係數fs與汙染參數V在圖29中求得。
下面舉兩例說明根據應力係數fs,考慮油膜厚與表面粗糙度的參數λ與汙染參數V,求潔淨度係數S的方法。
例1:高系統潔淨度,即fs=7,λ=2.7,V=0.3。
在圖29(a)中在橫坐標應力係數fs=7處引垂直向上與λ=2.7曲線相交;由交叉點畫一
條與橫坐標平行的直線與V=0.3的直線相交,如圖29(b)中所示;由交叉點垂直向下與橫坐標相交即得到潔淨度係數S=4.4。
例2:低系統潔淨度,即fs=7,V=3.0,λ在此不起作用。
當汙染係數V>1時,油膜的形成已不重要,因為大的汙染物顆粒刺穿了潤滑油膜。從fs=7垂直延伸到圖29(c)中與V=3.0曲線相交,交點的縱坐標位置即為潔淨度S=0.33。
這兩例說明儘管在同樣的軸承受力條件下,例1中高系統潔淨度下軸承的可達到壽命大約是例2中低系統潔淨度下軸承壽命的13倍。
當求出潔淨度係數S後,即可按a2311=S·a23,得出a2311。
圖29確定潔淨度係數S的圖表
10.2.8 變化的載荷和速度條件
如果軸承在整個工作過程中,載荷、速度以及其他對軸承壽命有影響的因素是變化的,那麼軸承的可達到(修正過的)壽命要計算在各種條件下的單個運行周期qi(%),整個周期壽命計算公式為
在現有滑油系統中,汙染物有兩個重要來源。
首先,裝配後滑油系統中會出現一些汙染物。這是因為零件的加工和隨後的裝配過程中,整套系統會受到汙染。汙染取決於很多因素,如零件加工時的潔淨度、裝配環境、裝配過程、儲存過程和裝配延誤等。
其次,新鮮滑油中也帶有汙染物。在滑油的整個生產過程中,有許多環節可能將汙染物帶到滑油中。滑油的生產商採取了許多保證滑油潔淨的措施,但是殘存於滑油中的汙染物尺寸及數量仍超出為保證軸承可靠工作所需的極限值。表11列出了新鮮滑油在供貨條件下不同汙染物的數量。
預先清潔有兩個主要步驟:首先,整個滑油循環系統的所有元件在裝配前必須徹底清洗;
其次,在裝配完成後,利用外部過濾設備對滑油系統進行衝洗。衝洗系統應該裝有過濾度為β3≥200的油濾,且衝洗過程要一直進行直到油樣的潔淨度達到ISO4406代碼的10/7(參見
隨著經驗的積累,目前對影響軸承壽命的真實工作參數有了更多的了解,在實際使用中軸承可達到的壽命計算也變得更精確。諸如載荷、潤滑油膜厚度及系統潔淨度等關鍵參數在計算軸承壽命時均應考慮在內。
人們通過實踐逐步了解到,要達到獲得軸承長期、可靠工作甚至持久壽命所要求的潔淨度值,應選擇使用合適的過濾系統。為保證在啟動前有高的系統潔淨度,特別推薦使用10.3中介紹的預清洗概念,以消除對系統有害的汙染物。
這些發現對提高和改進航宇軸承和其他機械部件可靠性和性能有很大的幫助,由此也消除了費用高昂的「提前失效」,為系統製造商(如發動機製造商)及最終用戶(如國家空軍或民用航空公司)節約了大量費用。