某發動機主軸鍍膜球軸承性能試驗

劉文龍，劉魯，楊宇

(中國航空發動機集團 沈陽發動機研究所 航空發動機動力傳輸重點實驗室，沈陽 110015)

鎢摻雜類金剛石(W-DLC)薄膜能夠起到減摩、耐磨的作用[1]，可提高軸承壽命和可靠性，近年來已逐步應用于航空發動機主軸軸承。

為了確保W-DLC鍍膜能夠適應航空發動機主軸軸承dn值高，載荷大，溫度高等惡劣工況[2]，已經開展了很多試驗研究，試驗后軸承及薄膜情況均較為良好[3]。但目前針對W-DLC鍍膜球軸承的研究試驗相對較少，主要是由于鋼球的W-DLC鍍膜工藝更加復雜[4]。鑒于此，現以某型發動機三點角接觸球軸承為例，采用表面PVD鍍膜技術對軸承溝道及鋼球進行W-DLC鍍膜[5]，并開展軸承性能試驗研究，探討W-DLC薄膜在航空發動機主軸球軸承的適用性及未來研究方向。

1 試驗

1.1 試樣

試驗軸承采用某型發動機用雙半內圈三點角接觸球軸承，材料為M50，軸承主要參數見表1，鍍膜參數見表2。其中，外圈擋邊鍍TiN是為了增加軸承的耐磨性。為對比鍍膜后軸承的實際應用效果，增加1套無鍍膜的三點角接觸球軸承進行對比試驗。

表2 軸承鍍膜參數

1.2 試驗設備

試驗在某型發動機高溫軸承試驗機上進行，其結構如圖1所示。該試驗機能夠同時安裝2套試驗軸承，可承受大小相等的軸向載荷，適合開展對比試驗。

1—加載頭；2，3—試驗軸承；4—承力殼體；5，6—支承軸承

1.3 試驗條件及方法

試驗軸承采用環下供油及噴射供油的聯合供油方式，總供油量為10.0～11.3 L/min，供油溫度參考發動機常用水平及試驗機溫度控制能力，要求為70～120 ℃。內圈與軸過盈配合要求為-0.062～-0.027 mm，外圈與軸承座配合要求為-0.024～+0.016 mm，均與發動機保持一致。

本試驗屬于驗證性、對比性試驗，各工況條件均與某型發動機三支點主軸軸承考核試驗要求一致。試驗分為磨合試驗和正式試驗，二者除工況譜不同外，軸承潤滑、安裝等保持一致。磨合試驗條件見表3，磨合試驗主要是為了消除由于制造、裝配等誤差導致的密封襯套與軸間可能出現的碰磨現象。

表3 磨合試驗條件

磨合過程中軸承溫度、回油溫度、電流、電壓、振動、噪聲等均無異常，磨合后對試驗軸承油腔油樣進行光譜分析，結果顯示無異常，進入正式試驗。

正式試驗工況譜(1個循環)如圖2所示，其中(50 kN，1.00)狀態點運行時間為15 min，其余均為2 min，(10 kN，0.72)為程序起點，1.00相對轉速對應物理轉速14 675 r/min；軸承徑向載荷始終為2 900 N。正式試驗過程中監測供油溫度、回油溫度、軸承(外圈)溫度、電主軸電流等數據。

圖2 正式試驗載荷圖譜

2 結果與分析

試驗完成20個工況譜后，發現試驗機存在振動增大的趨勢，拆下軸承進行檢查，并檢查鍍膜情況，發現鍍膜和未鍍膜試驗軸承的內圈與軸之間均出現了相對運動的痕跡，但軸承未失效。

對試驗軸承進一步檢查后發現鍍膜軸承內、外圈溝道接觸軌跡以及鋼球表面W-DLC涂層已經發生明顯脫落，脫落部位形貌如圖3所示，圖中深色部分為W-DLC鍍膜區域，淺亮色部分為鍍膜已脫落區域，外圈擋邊TiN涂層無明顯變化。

圖3 軸承零件脫落形貌

W-DLC薄膜為3層結構，底層為CrN層，中間為柱狀CrCN層，表面為摻雜W的DLC層。對脫落部位進行成分分析，結果見表4。由表可知，薄膜脫落部位相比于鍍膜部位的W元素含量明顯下降，但相比于軸承基體材料，Cr元素含量仍較高，因此可以判斷是表面摻雜W的DLC鍍層脫落。

表4 不同位置軸承材料成分

由于鋼球與套圈為點接觸，球軸承接觸應力明顯高于滾子軸承，應是其薄膜脫落的主要原因。經計算，試驗軸承內圈最大接觸應力超過2 200 MPa，外圈最大接觸應力超過2 000 MPa，高于航空發動機主軸滾子軸承的接觸應力水平(一般不超過1 800 MPa)。

某循環過程中潤滑油回油溫度及軸承外圈溫度如圖4所示。由圖可知，相同供油溫度下，鍍膜軸承與未鍍膜軸承的回油溫度相差不大，未鍍膜軸承外圈溫度比鍍膜軸承高15 ℃左右。考慮到2種軸承的供油量和供油溫度基本一致，但工作中鍍膜軸承溫度更低，因此鍍膜軸承的發熱量更小，主要是由于鋼球與套圈的M50基體經過W-DLC鍍膜后，干摩擦因數由0.70下降至0.15，接觸載荷相同時，鍍膜軸承的摩擦發熱量更小，摩擦接觸區向外圈的熱傳遞更少，外圈溫升較小。此外，鍍膜軸承雖然發生薄膜脫落，但在短時間內并未導致鍍膜軸承出現剝落、斷裂等失效性故障。

圖4 軸承回油溫度和軸承溫度曲線

本試驗為驗證性試驗，考慮到試驗成本等問題，試樣發生鍍膜脫落后并未繼續進行試驗，因此試驗結果具有一定的隨機性。考慮到該軸承在發動機上工作時，由于機動過載等情況可能導致其受載更大，可以判斷其鍍膜可靠性一般，存在一定脫落風險。

3 結論

1)試驗后鍍膜軸承套圈工作區和鋼球表面均出現W-DLC薄膜脫落現象，在高接觸應力水平下鍍膜的可靠性一般。

2)薄膜脫落在短時間內未導致軸承出現剝落、斷裂等失效性故障。

3)鍍膜軸承與未鍍膜軸承的供回油溫度相近，但鍍膜軸承外圈溫度較未鍍膜軸承低15 ℃左右，其摩擦性能優于未鍍膜軸承。

航空發動機主軸球軸承W-DLC鍍膜技術在后續研究中要著重注意膜基結合力，尤其是表面摻雜W的DLC表層結合力與中間層之間的結合力應繼續開展深入研究。