高速滾動軸承

高速滾動軸承是指發動機主軸軸承的軸承內徑（毫米）X轉速（轉/分）值（d.n值）越來越大，一般認為值超過0.6 X 106mm﹒r/min的軸承為高速滾動軸承。現代航空發動機主軸軸承d.n值已達到3X106mm﹒r/min以上，由於滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經常發生，滾動軸承一旦失效會導致系統精度降低，振動急劇加大，磨損，甚至抱軸和斷軸。

基本介紹

• 中文名：高速滾動軸承
• 外文名：High speed rolling bearing
• 學科：航空工程
• 領域：部件設計
• 套用：飛機

簡介

高速滾動軸承是指發動機主軸軸承的軸承內徑（毫米）X轉速（轉/分）值（d.n值）越來越大，一般認為值超過0.6 X 106mm﹒r/min的軸承為高速滾動軸承。現代航空發動機主軸軸承d.n值已達到3X106mm﹒r/min以上，由於滾動體打滑、疲勞、磨損等引起的滾動軸承失效經常發生，滾動軸承一旦失效會導致系統精度降低，振動急劇加大，磨損，甚至抱軸和斷軸。

背景介紹

滾動軸承是高端機械裝備的核心零件，其對主機的使用性能、使用壽命等性能指標具有較大的影響。高速滾動軸承如典型的航空發動機主軸軸承，其轉速極高而外載荷很小，極易產生打滑現象。打滑是引起軸承失效和故障最常見的原因之一，打滑並且對滾動軸承其他的損傷失效形式也有不同程度的影響。打滑及其損傷失效問題是一個耦合摩擦學、動力學、材料學、熱力學等多學科多領域知識的複雜問題，在高速滾動軸承中打滑失效時將嚴重影響整機使用性能。由於內部接觸關係、運動關係以及潤滑問題的複雜性，高速滾動軸承的打滑機理及打滑情況下軸承的失效機理等問題一直未得到很好的解決。高速滾動軸承打滑失效現象起源於打滑，而其失效現象屬於一種綜合失效模式，其中含有擦傷失效、熱失效等多種失效形式。

高速滾動軸承打滑機理研究現狀

（1）國外高速滾動軸承打滑動力學、摩擦學研究進展自從19 世紀60 年代開始，研究者便針對高速滾動軸承運動學、動力學及摩擦學進行了相關研究，為軸承打滑分析創造了條件。

（2）國內高速滾動軸承打滑動力學、摩擦學研究進展在國內，研究人員採用彈性流體動力潤滑分析方法研究獲得了高速滾動軸承中滾子與內、外套圈接觸區的油膜動壓力、潤滑油牽引力及油膜厚度數值，並分析了載荷、轉速和滾子數等工況參數對滾動軸承打滑的影響機理。學者還對影響高速滾動軸承打滑的因素進行了分析，並開發了相應的軟體系統以支持高速滾動軸承的打滑分析。也有學者針對加速工況下滾動軸承的打滑情況進行了系統研究。

綜上所述，以往研究大多集中於通過構建擬動力學模型進行高速滾動軸承的打滑分析上，在高速重載（中載）情況下分析結果較為可靠，但針對高速輕載工況難以取得理想的結果。

高速滾動軸承熱失效問題研究現狀

打滑將會加劇軸承接觸區域熱量的急劇增加,嚴重時將會引起內外圈膨脹促使軸承游隙減小而導致軸承失效，因此針對高速滾動軸承進行熱分析具有重要的研究意義。

滾動軸承溫升的機理及影響

軸承系統溫度變化關鍵取決於系統內部滾動軸承摩擦的自身發熱和系統的散熱能力。

1.摩擦生熱及其影響

軸承由於摩擦而引起的自身發熱主要來自: 滾動體與內外滾道之間的滾動和滑動摩擦、保持架與套圈引導面之間的滑動摩擦、滾動體與保持架兜孔之間的滑動摩擦、滾子端面與擋邊之間的滑動摩擦、潤滑劑黏性摩擦等。據航空發動機主軸) 軸承系統現場使用的數據和軸承失效的統計分析可以發現: 由於軸承材料的不斷改進，疲勞剝落僅占總故障數的2.39%，已不是滾動軸承失效的主要問題，而打滑蹭傷和摩擦磨損則占總故障數的53.89%。打滑和摩擦直接導致軸承的生熱加劇，如果不能得到有效地潤滑和冷卻，勢必造成軸承因內部工作溫度過高而失效，如套圈滾道和滾動體回火或燒傷、保持架引導面灼蝕等。

2.熱量的散發對軸承溫升的影響

軸承系統內部除了存在自身發熱外，還與系統外部存在相互的熱傳遞過程。如果軸承內產生的熱量不能及時有效地散發，隨著熱量在軸承內的不斷積聚，則會導致軸承溫度異常升高，潤滑油黏度下降，滾動體與內外圈滾道間油膜厚度減小，最終使軸承因滾動體回火或滾道表面剝落而報廢，並且溫度過高還會導致軸承膠合和咬死，其後果十分嚴重。

3.滾動軸承的熱傳遞過程

實際工程中的傳熱過程往往是很複雜的。軸承產生的功率損失最終以熱傳導、對流換熱及熱輻射的方式散發掉。一般情況下，軸承系統內部零部件間的溫度差別並不大，熱輻射很小，可以忽略; 熱傳導相對而言也較容易計算。而軸承系統內零部件表面與潤滑油、空氣或油氣混合物等流體之間的對流換熱是必須要考慮的重要換熱形式，而且換熱係數也是最難確定的。這種對流換熱係數之所以難以確定，一方面是因為軸承內部結構比較複雜，不同於傳熱學教程中的平板、圓筒、管狀物等簡單物理模型，當軸承高速運轉時，其內部流體的流速或雷諾數很難準確估算，因此很難將傳熱學教程中所給出的對流換熱係數公式直接套用在軸承內對流換熱的計算上。另一方面，國內外關於軸承熱分析的對流換熱係數實驗數據比較少。因此，對於一個複雜的傳熱過程要完全精確地描述並作定量計算是不可能的。目前，在軸承熱分析中通常是構想一個簡化模型，採用一些近似的對流換熱係數公式或數值並藉助於近似的計算方法來進行對流換熱的估算，從而解決軸承熱分析中的問題。

滾動軸承溫度場分析展望

我國對滾動軸承溫度場研究起步較晚，基礎理論與試驗研究相對較薄弱，國內又缺少先進的工業基礎和優勢技術作為支撐。例如，軸承系統內部流體介質與換熱表面間的對流換熱係數較難確定以及內部各個零件或部位的溫度較難用試驗測定，以至於缺少具體有效的試驗數據與理論分析數據做對比驗證，因此，阻礙了軸承溫度場理論研究的發展。另外，隨著航空主軸) 軸承工作轉速的不斷提高，軸承內的摩擦損耗也在不斷增加，因此，對潤滑油潤滑冷卻的性能和方式也提出了更高的要求。工程中希望使用最小的潤滑油油量達到既保證軸承正常工作又使得軸承溫升最小的效果。目前常用的潤滑方式有: 噴射潤滑、環下潤滑和油霧潤滑。與噴射潤滑相比，環下潤滑冷卻效果較好，其用油量少，減小了軸承的攪油功耗損失，並且潤滑油很容易將軸承內部的磨屑帶出軸承。油霧潤滑方法與液態油相比，攪油功耗較小，但是環境污染嚴重，潤滑油消耗量也大，因此也並不理想。

針對滾動軸承溫度場分析這一研究領域，在今後相當長一段時期內，應該以理論與試驗基礎研究為重點，用試驗結果驗證理論分析方法的可行性，需要在如下幾個方面進一步完善:

(1) 為了精化高速滾動軸承的傳熱計算，需要進行大量高速滾動軸承專門的對流換熱模擬試驗，用試驗方法來獲得計算高速滾動軸承對流換熱的準則方程，從而提出高速滾動軸承對流換熱係數的專門公式。這需要專門立項進行研究。

( 2) 現有的傳熱學手冊中很少涉及潤滑油的熱物性參數，給軸承溫度場分析計算帶來了很大的麻煩。為了得到更加精確的傳熱計算公式，需要對各種不同型號潤滑油的熱物性參數進行大量的試驗測試。

(3) 雖然環下潤滑目前是比較理想的潤滑方式,但隨著對潤滑和冷卻要求的不斷提高，油氣潤滑作為一種更加理想的潤滑方式，能夠解決其他傳統潤滑方式的缺點，這一潤滑方式有待將來進行進一步研究。

(4) 針對高速滾動軸承內各個零件或部位的溫度較難測定，而現有的試驗測定方法不能準確測定軸承內任意點的溫度，因此，需要研究新的溫度測定方法,以便準確測定軸承內的溫度，並與理論研究結果進行對比驗證。

(5) 在對高速滾動軸承進行功率損失的計算模型中，所涉及的力或運動參數需要根據軸承的具體工況,對軸承進行運動分析和力學分析來確定。靜力學( 或擬靜力學) 分析相對較粗糙，而動學力分析發展的還不夠完善，因此需要對軸承動力學分析進行進一步的研究。