雨中漫步- -7
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- - 8较好。
2 引导形式 轴承的引导方式主要有内圈引导和外圈引导，选择轴承的引导方式时应综合考虑轴承结构和供油润滑方式，具体引导方式见图2-2。外圈引导的优点是：润滑剂容易进入轴承内部，使其得到良好的润滑；由于外圈温度低，外圈引导面摩擦产生的热量可得到良好散发。外圈引导的缺点是：离心力和热膨胀将使引导面之间间隙减小，容易加剧摩擦，造成烧伤；此外，轴承内部的杂物也不容易排出。内圈引导的情况恰好相反，特别是内圈引导能对保持架提供拖动力，有利于减少或防止轴承产生高速轻载打滑。所以，在载荷不稳定的高速旋转场合，轴承结构以采用内圈引导方式为宜。从供油润滑的角度来说，当采用喷嘴从内圈挡边一侧供油时，轴承结构采用外圈引导较好；当采用旋转轴和内圈特制供油孔离心甩油供给润滑时(环下润滑)，则以内圈引导为好。
3 结构参数 轴承的结构参数主要包括接触角、密合度、游隙、引导间隙等，下面分别对轴承的主要结构参数进行简要的介绍。
接触角：滚动体与滚道接触区中点的法向负荷向量与垂直于轴承轴线的径向平面间的夹角，称为接触角。将轴承静止且不受外负荷作用时的接触角称为初始接触角。接触角是滚动轴承的重要的结构设计参数，它对轴承内部
的载荷分布、运动关系、摩擦、润滑等都有重要的影响。轴承工作时的接触
a) 三点接触形式 b) 四点接触形式 图2-1 三、四点接触球轴承的接触形式
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- - 9角与初始接触角有所不同，在轴向负荷作用下，接触角将增大，在高速运转时，钢球与内外圈沟道将产生不同的接触角。
密合度：在垂直滚动方向的横截面内，滚动体的曲率半径与套圈滚道沟曲率半径之比值，称为密合度。密合度的大小直接影响轴承的载荷容量和高速性能。一般来说，密合度大，载荷容量大，但摩擦发热多，高速性能不好；密合度小，高速性能虽得到改善，但载荷容量相对降低。为了克服旋滚比造成的不利影响，常取内沟曲率系数大于外沟曲率系数。
游隙：游隙指一个套圈固定，另一个套圈不受外加负荷时，沿径向或轴向从一个极限位置到另一个极限位置的移动量。按其移动的方向分为径向游隙和轴向游隙。游隙是一个重要的参数，影响轴承的载荷分布、振动、噪声、摩擦和寿命。
引导间隙：保持架旋转时应保证适当的引导间隙，力求形成完全油膜润滑，以尽量避免金属的相互接触。引导间隙小有利于减小作用在保持架上冲击载荷，但是间隙过小会加剧保持架和套圈引导面之间的摩擦。一般认为存在引导间隙的最佳值，确定此值必须考虑高速旋转时离心力引起的保持架变形、保持架和套圈的热变形、轴承零件和轴或轴承座的名义尺寸偏差、润滑剂渗透所需要的间隙等。
2.1.3 航空发动机轴承的润滑特点
轴承高速旋转时将产生大量的热，热源来自两个方面，一是轴承的旋转
a) 外圈引导 b) 内圈引导 图2-2 主轴球轴承的引导方式
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- - 10运动接触摩擦产生的摩擦热；二是高速旋转时润滑油搅拌形成的搅拌热。这些热量只能通过不断循环的润滑油带走，否则将导致轴承工作温度的上升。所以润滑油起到了两个作用，一是不断的在接触表面注入足够的油量，形成一定的油膜厚度，避免轴承零件工作表面之间的直接接触；二是使轴承工作温度保持在材料和润滑油所能承受的范围内[46]。
对于高速旋转的涡轮喷气发动机主轴轴承，dn 值在2×106以下时采用喷射润滑方式，将润滑油喷嘴靠近轴承端面，对准内圈挡边和保持架内径所形成的间隙，使润滑油扩散前进入轴承内部增加供油量，也经常采用提高喷油速度和增加喷嘴数量的方式改善轴承的润滑和冷却，见图2-3 a)。当dn 值超过2×106时，采用喷射润滑将会出现润滑不足的情况，这是由于在离心力的作用下，只有很少的一部分润滑油能够进入轴承内部。轴承转速的提高还会形成大量的搅拌热，造成轴承工作温度的提高。为了确保轴承高速运转时，润滑油能够顺利进入轴承内部，形成弹性流体动力润滑，提高冷却效果，采用环下润滑较多,见图2-3 b)。滑油在高转速下在离心力的作用下经轴承内圈上的径向孔、槽直接进入轴承内部，对沟道和滚动体进行润滑和冷却。该方法不仅使润滑冷却效果得以改善，而且使进入轴承沟道的润滑油很容易地把从保持架上磨下来的粉末冲走[47]。此外，环下润滑的用油量也比喷射润滑的少，因而可以减少搅油损失和轴承发热。采用环下润滑方法润滑的高速轴承，其内圈温度可以比外圈温度低，这样就能有效地防止在高速轴承内圈沟道上经常出现的蹭伤。鉴于环下润滑方式的众多优点，本课题所研究的轴承在设计时采用了环下润滑的结构。
a) 喷射润滑
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- - 11
2.1.4 航空发动机轴承的材料特点
滚动轴承以点接触或线接触的形式长期在高的交变接触应力作用下工作。由于轴承的结构特点和工作条件要求，轴承材料必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限、良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工性能等。机械设备的精度、寿命和可靠性很大程度上取决于轴承的质量。作为各种机械运动的支承，轴承的工作环境可能是超高温、超低温、强腐蚀，也可能是强冲击、强磨料磨损、超高速等在所有滚动轴承中航空发动机主轴轴承对高温、高速性能要求是最高的。
一般主轴轴承常用的高碳铬轴承钢，具有较高的延伸性、强度及耐磨性，但硬度随着温度的升高则急剧降低，其工作温度只能达到177℃，因此不能适应现代航空发动机主轴轴承的要求。同样的轴承材料在不同的温度下，其各种性能也不相同。表2-1介绍了几种常用轴承材料在不同温度下的极限接触应力。表2-2介绍了几种轴承材料在不同温度下的性能。
表2-1 材料在不同温度下的极限接触应力 单位：MPa
航空发动机常常要求在高速、重载和高温条件下工作。为了适应这样的工作条件，航空发动机主轴轴承的内外圈和滚动体材料一般采用热硬性好的
b) 环下润滑
图2-3 主轴承的润滑方式
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- - 12高速钢。美国和日本主要采用钼系8Cr4Mo4V(M50)钢。8Cr4Mo4V 钢经热处理淬硬，硬度高达62HRC ，轴承连续工作温度至少可达到316℃[48]。因此，采用VIM-VAR(真空感应熔炼-真空电弧熔炼)方法冶炼的8Cr4Mo4V 钢是目前航空发动机轴承应用中起主导作用的高性能轴承钢，它除了具有良好的高温硬度外，还能够保持良好的尺寸稳定性。
表2-2 材料在不同温度下的性能 高温硬度
材料 最高使用温度℃
温度℃
硬度HRC 尺寸稳定性 高温抗氧化性
20
＞61 175 ＞56 GCr15(52100) 200
230
＞54 ＜0.01％ 良 20
＞62 230
＞59 8Cr4Mo4V(M50) 316 315
＞57 ＜0.005％ 良 20 ＞62 230
＞59 SG13Cr4Mo4Ni4V
(M50NiL) 350 350 ＞57 ＜0.005％ 良 一般认为，当轴承的dn 值在2.0×106以下时，可采用VIM-VAR 方法冶炼的8Cr4Mo4V 钢。当轴承dn 值达到或超过 2.0×106时，就必须采用SG13Cr4Mo4Ni4V(M50NiL)。主要由于SG13Cr4Mo4Ni4V 钢的表面初始损伤在随后的运转中微鳞剥落扩展的机率要比8Cr4Mo4V 钢小的多，所以说SG13Cr4Mo4Ni4V 钢在抗表面损伤扩展的性能方面要比8Cr4Mo4V 钢好的多。在高温下，SG13Cr4Mo4Ni4V 比8Cr4Mo4V 的高温极限接触应力高200MPa 左右。长寿命轴承最普遍的失效模式就是疲劳剥落，而疲劳剥落的机理就是轴承滚道表面的细微损伤在运转中靠鳞剥原理不断扩展，当微鳞剥落达到某一临界长度，便发生宏观剥落并被判为出现了疲劳剥落失效。可见SG13Cr4Mo4Ni4V 钢在抗疲劳剥落方面要比8Cr4Mo4V 钢要好,且
SG13Cr4Mo4Ni4V 钢良好的热硬度持久性已为试验所证实
[49,50]。 轴承保持架虽然不直接承受轴承载荷，但它伴随着高速滑动而旋转，在高速轴承中常常由于保持架的磨损、疲劳等原因造成轴承的损坏。保持架的损坏是现代航空发动机主轴轴承较常见的破坏形式，因此可以说保持架材料
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- - 13的机械性能决定着航空发动机主轴轴承的高速性能。对于航空发动机轴承，由于其转速较高，要求其使用的实体保持架具有足够的高温强度，良好的耐磨性和磨合性，良好的耐疲劳性能和延展性，近似于套圈材料的热膨胀系数，比重小，便于轴承润滑等。过去航空发动机主轴轴承保持架材料多采用硅铁青铜，表面镀银处理。这种材料比高强度黄铜具有更高的高温硬度，最高回火温度可达315℃。当温度超过315℃时，则由于机械强度显著降低而不能继续使用。对于目前有较高温度、转速，要求较长寿命的先进航空发动机而言，这些材料制造的保持架已不能满足要求。新式航空发动机主轴轴承为了使其具有必要的强度，以承受离心力引起的拉伸应力，已广泛采用40CrNiMoA 镀银保持架。这种镀银的钢保持架现在已经在所有的新式航空发动机的主轴轴承中使用，采用这种保持架之后，延长了轴承寿命并减少了因保持架磨损而引起的故障。试验表明40CrNiMoA 钢镀银保持架可耐315℃高温，这种高温强度好、低摩擦保持架材料和镀层的配合大大地延长了发动机在贫油和断油时的运转。
综合比较多种轴承材料性能后，最终选用了SG13Cr4Mo4Ni4V 作为轴承套圈和钢球的基体材料，40CrNiMoA 作为轴承保持架的基体材料。
2.2 高压压气机前轴承的结构设计
2.2.1 设计要求
某型航空发动机有5个主轴轴承，本文研究的轴承为该型发动机的高压压气机前轴承，主要承受轴向载荷及径向载荷。由于发动机工作中轴承的工作条件的变化是比较频繁的，所以根据发动机的最大、中间、巡航、慢车四个基本工作状态(详情见表2-3)，确定轴承的设计要求如下：
结构形式：角接触球轴承
润滑方式：环下润滑
安装配合：内圈与轴过盈0.003～0.029mm
外圈与座孔过盈0.022～间隙0.014mm
使用寿命：300飞行小时
外形尺寸：φ133.35×φ201.725×39.4(内径D 2×外径D 1×宽度
B )mm
