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航空发动机主轴轴承状态监测研究现状与发展趋势（一）
发布时间：
2023-01-13
来源：
航空动力学报
航空发动机主轴轴承（以下简称主轴轴承）Dn值（内径D与转速n的乘积）可达3×106mmr/min以上，接触应力可达2 GPa以上，温度达220 ℃以上。与普通轴承相比，主轴轴承转速高、载荷大、保持架冲击严重、摩擦生热量多、工作环境温度高、难以保证良好润滑、短时间内存在大范围工况变化、某些情况下存在严重打滑等。
航空发动机主轴轴承（以下简称主轴轴承）Dn值（内径D与转速n的乘积）可达3×106mm•r/min以上，接触应力可达2 GPa以上，温度达220 ℃以上。与普通轴承相比，主轴轴承转速高、载荷大、保持架冲击严重、摩擦生热量多、工作环境温度高、难以保证良好润滑、短时间内存在大范围工况变化、某些情况下存在严重打滑等。
主轴轴承的服役过程实际上是两个粗糙表面的摩擦行为，Vakis等[1]讨论了物理、化学、机械载荷等复杂影响下两个粗糙表面的摩擦行为，认为在摩擦学模型中，要考虑塑性、黏着、摩擦、磨损、润滑以及表面化学等互补的非线性效应仍需要继续努力。
粗糙表面间的摩擦可能会导致轴承产生疲劳、磨损等失效。航空发动机各个支点的轴承结构存在明显不同，失效表现存在差异。轴承服役状态是多因素共同作用的结果。内因包括材料、表面性能等，外因包括润滑状态、载荷、转速影响等。疲劳限制主轴轴承的最终寿命，但早期的非正常失效仍占大多数[2]。
轴承材料通过不断改进以满足优良的航空发动机主轴轴承的要求，对于含有不同元素及不同配比的轴承材料及组合，其抗磨损性能及其失效机制都会发生改变[34]；Wakiru等[5]认为润滑状态监测可以作为机械设备的故障预警，主轴轴承的润滑状态监测对故障预防具有重要意义；主轴轴承的转速和载荷是影响失效的主要因素，对轴承承载滚动体数量、内外圈相对位置、接触应力、打滑率、接触区温度等都有影响[6]。
判断主轴轴承服役状态所检测的主要参数包括振动[79]、声音[8]、声发射[10]、润滑油[1112]、温度[1314]等。高端装备通常会安装多个传感器，通过多传感器信息配合信息融合算法可以获得其状态全、完整的描述。
1 主轴轴承主要失效模式
主轴轴承运行在较端苛刻工况及复杂环境条件下，失效形式十分复杂且可能出现多种失效并存。主轴轴承的主要失效模式包括疲劳、磨损、热损伤、打滑蹭伤、保持架失效等[15]。
1.1 疲劳
疲劳分为表面起源疲劳和次表面起源疲劳。表面起源疲劳是指表面在超过疲劳强度的循环压力作用或由于氢离子的攻击下，在表面产生疲劳；次表层起源的疲劳，这种疲劳与最大正交切应力相关。LP（LundbergPalmgren）理论[19]可以对轴承疲劳寿命进行估计，在此基础上适用于主轴轴承的IH（IoannidesHarris）寿命理论基本公式。
式中△Sk代表单元体积幸存概率，N代表每一转的应力循环次数，τ代表滚道接触下的切应力，τu代表材料的疲劳较限切应力，△Vk代表应力作用的单元体积，zk代表应力作用深度，e、c、h代表通过试验确定的Weibull参数。
在复杂苛刻工况下，仅有理论计算寿命不够可靠，裂纹在萌生与扩展阶段的晶格断裂会伴随着声发射现象。因此可以采用振动[21]、润滑油光谱、磨损颗粒计数器、声发射、温度等类型传感器进行监测。
1.2 磨损
磨损指粗糙表面在高拖动力下表面材料以颗粒形式脱落的现象[22]。在理想润滑条件下，接触表面间会由润滑油膜完全隔开，但实际上在高速重载的工况下，无法保证主轴轴承接触区的粗糙峰被完全隔开。Archard[23]提出的粗糙表面磨损定律。
式中V代表磨损体积，kadh代表黏着磨损系数，F代表压力，s代表滑动距离，σo代表材料硬度。通过公式可以计算主轴轴承的磨损体积，评估磨损状态。
国内外许多学者基于此对粗糙表面的磨损模型进行了修正与改良，但由于磨损行为的复杂性，目前并没有形成普适性规律。主轴轴承工况恶劣，其磨损模型加难以建立，所以针对主轴轴承磨损的研究大部分基于试验展开。Gloeckner等[24]研究了微动磨损对主轴轴承性能的影响。
磨损会导致主轴轴承表面形貌变化，导致温度上升、润滑油清洁度下降、振动增大等。可以采用振动传感器、温度传感器、润滑油传感器、声发射传感器等进行轴承磨损的监测。
1.3 热损伤
主轴轴承在运转中的摩擦会导致一定的温升，这种温升幅度与载荷、转速、润滑状态以及接触表面状态有关[25]。ISO（International Organization of Standardization）标准通过润滑油品质因数考虑热效应对轴承寿命的影响，但此标准不适用于较低或较高的转速。
=式中Qn代表内、外圈的摩擦热流量，μ代表滚动体与滚道的摩擦因数，p1jp2j代表第j个滚动体与外圈、内圈接触区的接触压力，v1jv2j代表第j个滚动体与外圈、内圈接触区的相对滑动速度。根据热流量可以计算表面最大温升，对比轴承材料温度许用较限可以判断轴承是否会发生热损伤。
陈观慈等[26]对高速球轴承各个热源分别进行生热计算，得到了为准确的高速球轴承局部生热和总生热，这对确定主轴轴承的工况范围避免热损伤具有重要意义；高速冲击滑动接触在主轴轴承中比较常见，Wang等[27]研究发现M50钢在高速冲击滑动接触时表面损伤主要是由应变能产生的热耗散导致表面软化导致的。瞬时热冲击导致的热振效应可能引起主轴轴承的刚度发生变化。
主轴轴承的设计参数、装配工艺、变形等都会影响发热量，工作中过高的温度会造成润滑剂劣化加快，零件尺寸变化，异常振动，表面烧伤甚至材料软化脱落等。可以采用温度、润滑油传感器等进行监测，合理调整工况参数、润滑油流量等避免主轴轴承发生热损伤。
1.4 打滑蹭伤
航空发动机工作时存在大工况波动，轻载打滑蹭伤是一类非常典型的失效模式。在高速轻载情况下，非承载区中的滚动体在离心效应的作用下与内圈脱离接触，拖动力不足产生打滑；刚刚进入承载区的滚动体突然获得拖动力转速猛增出现打滑。
式中S代表打滑率，ω´c代表保持架理论转速，ωc代表保持架实际转速。可以根据打滑率判断当前打滑情况。
打滑会引起轴承接触副表面摩擦因数增大，容易造成磨损，主承载区温度升高，润滑油黏度下降并劣化加速；滚动体与滚道间若产生剧烈滑动可能导致接触表面出现蹭伤，产生的局部高温可能导致表面材料软化脱落等。崔立等[28]分析了高速球轴承的打滑机理，并推导了滚动体和保持架理论转速的准确计算公式，得到了滚动体不发生打滑的临界负荷；李军宁等[29]提出一种高速滚动轴承滑蹭试验系统，研究了多个组合因素作用下的滑蹭规律；刘延斌等[30]提出一种具有斜面兜孔结构的圆柱滚子轴承，并对其高速防打滑特性展开研究。
主轴轴承打滑蹭伤会导致接触副表面几何形貌产生变化、微裂纹萌生、轴承产生啸叫、润滑油污染等，且打滑会导致故障特征频率的理论值与试验值产生较大偏差。可以通过电磁或光纤等类型的传感器测量保持架转速计算整体打滑率。
1.5 保持架失效
工况突变、润滑不良等会引起保持架冲击、打滑、卡滞等。保持架运行中的磨损、热变形、冲击、碰撞、初始裂纹、高转速下的离心应力以及加工损伤等都可能导致过早失效。
刘鲁等[31]认为造成高Dn值轴承保持架断裂的主要原因为高转速下的离心应力与兜孔圆角过小造成的应力集中；主轴轴承的载荷对保持架性能具有较大影响，Takabi等[32]研究认为高速重载条件下滚动体和保持架接触力过大会引起保持架磨损、不稳定运动等最终导致轴承失效；张涛等[33]总结了保持架动态特性理论和试验研究进展、保持架稳定性影响因素、稳定性判据和优化准则，讨论了存在的不足，对提升主轴轴承保持架稳定性具有一定参考。
主轴轴承的应力状态、保持架几何参数、润滑状态、保持架质量等对保持架都有较大影响。保持架润滑不良会导致摩擦力矩变化，磨损加剧、精度下降甚至保持架断裂。可采用振动、温度、润滑油、声学传感器等对主轴轴承的保持架进行监测并分析，但现有方法在观测保持架运动、测量保持架磨损、预防保持架失效的准确性及计算速度等方面仍存在一定不足。
关键词：主轴轴承、特种轴承
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