高DN值軸承損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則探討

方靖文

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

一、前言

近些年來，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平不斷地提升，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度提出了越來越高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料斷裂韌性不佳或者主軸承元件在高速下存在較大的內(nèi)應(yīng)力，都可能導(dǎo)致元件在嚴(yán)重剝落以前，其材料內(nèi)部缺陷快速擴(kuò)大，從而使其裂紋尺寸超過臨界裂紋尺寸，導(dǎo)致軸承發(fā)生快速斷裂。依據(jù)高DN值軸承引力強(qiáng)度因子設(shè)計(jì)以及容許裂紋設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，能夠有效地防止發(fā)動(dòng)機(jī)軸承快速斷裂。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承斷裂機(jī)理分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度在不斷地提高，而伴隨著其速度的不斷提升，軸承斷裂的機(jī)率也就大大提升。航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了保證軸承在高DN值、高溫和高負(fù)荷下工作，解決軸承套圈快速斷裂問題，必須從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，發(fā)展軸承新材料，采用新的工程方法設(shè)計(jì)高DN值下的軸承損傷容限，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高DN值下軸承內(nèi)圈上會(huì)形成比較大的周向應(yīng)力，如此一來，就使得內(nèi)圈應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過外圈，因此，大部分情況下的軸承斷裂都是由內(nèi)圈引發(fā)的。[1]近些年來，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)頻頻出現(xiàn)故障，引起了軸承生產(chǎn)廠家以及發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)制造單位的高度關(guān)注，在設(shè)計(jì)方面和材料方面都做出了積極的嘗試和努力。在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的材料方面，采用工具鋼類的新材料，提高材料斷裂韌性；在軸承設(shè)計(jì)方面，通過一系列的機(jī)理分析及驗(yàn)證研究，編排出一系列的軸承設(shè)計(jì)分析程序。航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料的斷裂韌性以及疲勞裂紋擴(kuò)展率，對(duì)于研究斷裂問題有十分重要的參考意義。在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的實(shí)際應(yīng)用中，其材料不可避免地存在一些缺陷問題，例如微裂紋，氣泡等，而這些原始缺陷的存在，對(duì)軸承的性能造成了不良的影響，導(dǎo)致材料組織的連續(xù)性均勻性被破壞，使軸承材料斷裂韌性不佳，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度降低。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，這些原始缺陷在機(jī)件承受的作用力下進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)裂紋深度擴(kuò)展到一定程度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致軸承斷裂。通過改變熱處理方式來提高軸承材料斷裂韌性具有比較重要的應(yīng)用意義。[2]現(xiàn)階段我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承所使用的材料很大程度上限制了軸承DN值的提升，因此對(duì)軸承材料的斷裂韌性要求比較高，必須對(duì)當(dāng)前所使用的軸承材料進(jìn)行熱處理工藝改進(jìn)，以優(yōu)化斷裂韌性性能。

三、高DN值軸承損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（一）高DN值軸承應(yīng)力強(qiáng)度因子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

高顛子軸承應(yīng)力強(qiáng)度因子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承臨近使用壽命或者其應(yīng)力水平比較高的情況。元件的應(yīng)力水平在高DN值情況下會(huì)顯著增加。我國現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)在使用期內(nèi)，不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承元件應(yīng)力水平趨于臨界應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使得軸承材料原始缺陷擴(kuò)展加速，裂紋擴(kuò)大導(dǎo)致在嚴(yán)重剝落之前發(fā)生快速斷裂，從而導(dǎo)致巨大災(zāi)難事故的發(fā)生。

高DN值軸承應(yīng)力強(qiáng)度因子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：確定材料裂紋尺寸，計(jì)算應(yīng)力值，從而求出裂紋形狀參數(shù)，再由相關(guān)公式計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，必須使平面應(yīng)變應(yīng)力強(qiáng)度因子小于平面應(yīng)變斷裂韌性。受高DN值的限制，即使采用應(yīng)力強(qiáng)度因子設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使得應(yīng)力強(qiáng)度因子值盡可能降低，但依然無法有效地防止軸承快速斷裂。[3]更有效的方法是使軸承材料具有高斷裂韌性。但應(yīng)該注意的是，采用具有高斷裂韌性的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料，其具有的其他性能也必須滿足現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。

（二）高DN值軸承容許裂紋設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

高DN值軸承容許裂紋設(shè)計(jì)準(zhǔn)則適用于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料的工作應(yīng)力水平比較低，其屈服強(qiáng)度值及極限抗拉強(qiáng)度比較高時(shí)，此時(shí)的軸承壽命裕度比較高。運(yùn)用這一準(zhǔn)則，首先要對(duì)軸承裂紋進(jìn)行有效的分析，具體成因：首先，軸承存在一定滑動(dòng)。其次，內(nèi)圈在軸上出現(xiàn)滾動(dòng)；第三，不當(dāng)?shù)臐櫥坏谒模c軸配合非常緊；第五，存在槽軸；第六，軸承規(guī)格不夠圓；第七，與周圍部件存在摩擦。面對(duì)這些問題，具體解決方案：首先，可以利用增加添加劑或者提高油量來完成潤滑的改善；其次，面對(duì)軸承實(shí)施適當(dāng)?shù)呐浜线x擇；第三，避免軸承存在過度摩擦的情況；第四，為軸承提供比較良好的底座條件；第五，考慮對(duì)內(nèi)圈實(shí)施特殊性熱處理。準(zhǔn)確計(jì)算出臨界裂紋尺寸，KI(應(yīng)力強(qiáng)度因子)＞=KIC(斷裂韌性——臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子），由于KI屬于名義應(yīng)力(Stress)以及裂紋長度（a)的函數(shù),比如：Y(系數(shù)）X (Stress）X (a)^(1/2)，當(dāng)給定名義應(yīng)力值，如等于屈服強(qiáng)度時(shí)，即可以計(jì)算出臨界裂紋尺寸（a_max ＜=K_Ic/(Y X Stress)。所謂的臨界裂紋尺寸，就是在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力下導(dǎo)致軸承快速斷裂的裂紋尺寸，計(jì)算臨界裂紋尺寸，對(duì)于分析發(fā)動(dòng)機(jī)軸承快速斷裂、制定預(yù)防措施具有重要意義。[4]在高DN值情況下，軸承材料本身存在的極小裂紋，會(huì)因?yàn)槠诙杆贁U(kuò)展，在剝落之前就達(dá)到臨界裂紋尺寸，將增加事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。因此必須要設(shè)計(jì)出容許裂紋尺寸，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的維修要求、使用條件以及具體性能來進(jìn)行計(jì)算，從而將軸承裂紋可擴(kuò)大的范圍控制在容許裂紋尺寸以下，減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

四、結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承套圈出現(xiàn)的裂紋是由于周向拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的，因此通過合理的設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑼馊?yīng)力控制在可防止軸承快速斷裂的范圍，如何控制作用在內(nèi)圈的離心力是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)所重點(diǎn)考慮的問題。本文對(duì)兩個(gè)高DN值情況下的軸承損傷容限設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討分析，以期給相關(guān)研究提供參考。但應(yīng)該注意的是，這兩個(gè)準(zhǔn)則并不是完美的，其依然有待于在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中不斷完善。