不同材質滾動體軸承性能對比試驗驗證

張 翼，胡廣存，滿維偉

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲412002）

0 引言

隨著航空發動機對軸承轉速、壽命等要求日益嚴苛，傳統滾動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]。國內混合陶瓷球軸承主要在機床主軸[2]、高速電主軸[3]、化工機械等應用較為廣泛，航空發動機主軸軸承較少應用混合陶瓷球軸承。將已有航空發動機全鋼軸承改制為混合陶瓷球軸承，對提高發動機整機首翻期壽命，降低滑油系統溫度特性具有重要研究意義。

本文以某型航空發動機前支點雙半內圈角接觸球軸承為試驗對象，更換滾動體材料，其他參數保持不變，通過軸承性能試驗，包括承載能力試驗與滑油中斷試驗，對比軸承外圈工作溫度，為發動機軸承改制提供數據支撐。

1 試驗軸承主參數

以某型航空發動機燃氣渦輪轉子前支點雙半內圈角接觸球軸承為試驗對象，軸承主參數如下，軸承內徑45 mm，外徑為75 mm，鋼球數量15個，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，鋼制軸承滾動體材料M50鋼，混合陶瓷球軸承滾動體材料為陶瓷（Si3N4）。

2 試驗方案與載荷譜

2.1 試驗轉接段

試驗轉接段如圖1所示，支點軸承1為全鋼軸承，支點軸承2為混合陶瓷球軸承。承載能力試驗中鋼制軸承與混合陶瓷球軸承都為試驗件。滑油中斷試驗中，在支點軸承2處，先后分別安裝一套混合陶瓷球與鋼制軸承，分別進行試驗。試驗在高速軸承試驗器上開展，試驗器轉速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 試驗方案

2.2 試驗載荷譜

試驗譜包含承載能力譜和滑油中斷譜，承載能力譜如表1所示。滑油中斷試驗載荷譜考核軸承在斷油30 s后恢復供油30 min內的抗斷油能力，滑油中斷時和恢復斷油后的載荷譜相同，轉速43 000 r/min，徑向載荷230 N，軸向載荷2 200 N。試驗軸承供油溫度：80 ℃，供油流量：（1.3～1.4）L/min。

表1 承載能力試驗載荷譜

3 試驗結果

3.1 承載能力試驗

混合陶瓷球軸承與全鋼制軸承外圈溫度對比如圖2所示。混合陶瓷球軸承在相同潤滑與載荷條件下，試驗外圈溫度低于鋼制軸承外圈溫度。在序號6～序號10等高轉速試驗狀態，陶瓷球軸承外圈溫度比全鋼制軸承溫度低15℃左右。序號1～序號5等狀態，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比

3.2 滑油中斷試驗

鋼制軸承在進行滑油中斷24 s時，軸承外圈溫度升高到235℃，達到試驗器保護停車值。混合陶瓷球軸承滑油中斷過程中，試驗軸承外圈溫度最高為206℃，軸承外圈溫度變化平穩。試驗恢復供油后，軸承運轉正常，軸承外圈最高溫度為146℃，滑油中斷試驗軸承外圈溫度對比如圖3所示。

圖3 滑油中斷試驗軸承外圈溫度對比

試驗結束后對混合陶瓷球軸承和鋼制軸承進行分解檢查，軸承形貌正常，如圖4所示，套圈工作滾道未產生變色等高溫特性。陶瓷球形貌完整，未發現磨損痕跡。

圖4 混合陶瓷軸試驗滑油中斷后形貌

4 結束語

以某型航空發動機雙半內圈球軸承為試驗對象，通過將鋼球更換為陶瓷球開展性能試驗，對比混合陶瓷球軸承與鋼制軸承外圈溫度，為后續發動機鋼制球軸承的改制提供試驗依據。試驗結果表明：

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

（2）承載能力試驗中混合球軸承在高轉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速下具有更好的溫升性能。