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论我国重大技术装备轴承的自主安全可控(1)——民用航空发动机主轴轴承

重大技术装备轴承的自主安全可控是国家重视,社会关注的“国之大者”,是我国轴承行业的第一要务,我国轴承行业也为此付出了艰辛的努力。“十三五"完成了一批重大技术装备轴承的开发,“十四五”期间,重大技术装备轴承的研发→工程化→产业化任重而道远。阐述了重大技术装备轴承7种标志性产品的关键技术,市场需求,开发的重点、难点,以期推动这些高端轴承的开发,从而加快实现我国重大技术装备轴承自主安全可控的进程。


我国战略性新兴产业和制造强国战略重点发展领域需要大量的高端轴承为重大技术装备配套,轴承行业应着力进行这些轴承的研发→工程化→产业化,“十四五”期间我国重大技术装备配套轴承的开发任务涉及到的具体领域及轴承类型见表1。

表1 “十四五”期间我国重大技术装备配套轴承和其他高端轴承的开发任务

注:1)导航及姿态控制系统轴承、太阳能帆板驱动机构轴承,CCD高精度照相机构轴承


1 民用航空发动机主轴轴承

1.1 研发基础

我国航空配套轴承工业从20世纪50年代中期开始起步,主要面向军用飞机,大致经历了修理更换,测绘仿制、试制生产、批量(定型)生产、全面发展、行业调整、技术提高等发展阶段。国内航空轴承行业总体上形成了以“三厂一所一校”为主干力量的行业布局。近年来,又有一些企业进入了航空轴承领域,国内航空轴承行业已基本具备了产品设计、研制开发、加工制造和试验各类航空配套轴承的能力。近60年来,我国轴承行业先后研发生产了千余种、近一百万套不同型号的航空发动机配套主轴轴承、飞机附件及发动机附件轴承,其他航空配套轴承。我国轴承行业研发民用航空发动机主轴轴承已具备了一定的基础条件。


1.2 技术指标及典型产品

民用航空发动机的总体结构如图1所示,其主轴轴承的典型产品及结构如图2所示,主轴轴承的技术指标要求为:dn值大于3.0×106 mm·r/min,耐高温250~300 ℃,寿命15 000 h以上。

1-风扇;2-中压压气机;3-高压压气机;4-高压涡轮;5-中压涡轮;6-低压涡轮;7,12-低压轴承;8,11-中压轴承;9,10一高压轴承。

图1 发动机主轴轴承总体结构示意图

Fig.1 General structure diagram of engine spindle bearings

图2 发动机主轴轴承结构示意图

Fig.2 Structure diagram of engine spindle bearings

1.3 关键技术

航空发动机主轴轴承是轴承产业皇冠上的明珠,其设计和制造技术涉及到轴承科技金字塔顶端的诸多硬科技,甚至黑科技,本文仅列出以下几项:


1)进行包括热分析、动态特性分析及热弹流分析的轴承动力学分析并以此为基础进行仿真设计;


2)进行包括疲劳寿命、磨损寿命、精度寿命、振动寿命、摩擦寿命的轴承综合寿命研究;


3)对造成轴承早期失效的潜在失效因素和失效模式进行研究,采取对策,预防早期失效;


4)开发应用新一代耐高温400 ℃以上,接触应力2400 MPa以上的轴承钢;


5)推行以改善轴承应力分布,降低最大接触应力,延缓表面和次表面裂纹源形成和疲劳裂纹扩张为要义的表面完整性制造和抗疲劳制造;


6)进行以降低摩擦力矩,提高耐磨性,减轻打滑损伤为目标的单元素或多元素离子注入等表面改性技术的研发应用;


7)进行小样本、概率分布未知条件下的静态试验和动态试验的理论研究及试验方法、试验手段的研发应用;


8)研发新一代模拟工况的轴承性能、耐久性和寿命试验装备及技术。


1.4 市场预测

我国民用飞机年产量及相应的配套轴承需求量见表2,其中按每架飞机需配套轴承2 000套(发动机轴承900套)计算,每架直升机需配套轶承1 500套计算。

表2 我国民用飞机产量及相应配套轴承需求量

据统计,2017年我国民用客机保有量3250架,全球占比15%,预计2035年升至8684架,全球占比19%。如此大的客机保有量,需要维修的轴承数量也很巨大。


1.5 小结

尽管与国外先进水平还有很大差距,我国军用航空发动机主轴轴承已实现自主安全可控,而民用航空发动机主轴轴承则全部靠进口,实现自主安全可控任重而道远。

(参考文献略)

来源:《轴承》2022年1期(略有改动)



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