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論我國重大技術裝備軸承的自主安全可控(1)——民用航空發動機主軸軸承

重大技術裝備軸承的自主安全可控是國家重視,社會關注的“國之大者”,是我國軸承行業的第一要務,我國軸承行業也為此付出了艱辛的努力。“十三五"完成了一批重大技術裝備軸承的開發,“十四五”期間,重大技術裝備軸承的研發→工程化→產業化任重而道遠。闡述了重大技術裝備軸承7種標誌性產品的關鍵技術,市場需求,開發的重點、難點,以期推動這些高端軸承的開發,從而加快實現我國重大技術裝備軸承自主安全可控的進程。


我國戰略性新興產業和製造強國戰略重點發展領域需要大量的高端軸承為重大技術裝備配套,軸承行業應著力進行這些軸承的研發→工程化→產業化,“十四五”期間我國重大技術裝備配套軸承的開發任務涉及到的具體領域及軸承類型見表1。

表1 “十四五”期間我國重大技術裝備配套軸承和其他高端軸承的開發任務

注:1)導航及姿態控製係統軸承、太陽能帆板驅動機構軸承,CCD高精度照相機構軸承


1 民用航空發動機主軸軸承

1.1 研發基礎

我國航空配套軸承工業從20世紀50年代中期開始起步,主要麵向軍用飛機,大致經曆了修理更換,測繪仿製、試製生產、批量(定型)生產、全麵發展、行業調整、技術提高等發展階段。國內航空軸承行業總體上形成了以“三廠一所一校”為主幹力量的行業布局。近年來,又有一些企業進入了航空軸承領域,國內航空軸承行業已基本具備了產品設計、研製開發、加工製造和試驗各類航空配套軸承的能力。近60年來,我國軸承行業先後研發生產了千餘種、近一百萬套不同型號的航空發動機配套主軸軸承、飛機附件及發動機附件軸承,其他航空配套軸承。我國軸承行業研發民用航空發動機主軸軸承已具備了一定的基礎條件。


1.2 技術指標及典型產品

民用航空發動機的總體結構如圖1所示,其主軸軸承的典型產品及結構如圖2所示,主軸軸承的技術指標要求為:dn值大於3.0×106 mm·r/min,耐高溫250~300 ℃,壽命15 000 h以上。

1-風扇;2-中壓壓氣機;3-高壓壓氣機;4-高壓渦輪;5-中壓渦輪;6-低壓渦輪;7,12-低壓軸承;8,11-中壓軸承;9,10一高壓軸承。

圖1 發動機主軸軸承總體結構示意圖

Fig.1 General structure diagram of engine spindle bearings

圖2 發動機主軸軸承結構示意圖

Fig.2 Structure diagram of engine spindle bearings

1.3 關鍵技術

航空發動機主軸軸承是軸承產業皇冠上的明珠,其設計和製造技術涉及到軸承科技金字塔頂端的諸多硬科技,甚至黑科技,本文僅列出以下幾項:


1)進行包括熱分析、動態特性分析及熱彈流分析的軸承動力學分析並以此為基礎進行仿真設計;


2)進行包括疲勞壽命、磨損壽命、精度壽命、振動壽命、摩擦壽命的軸承綜合壽命研究;


3)對造成軸承早期失效的潛在失效因素和失效模式進行研究,采取對策,預防早期失效;


4)開發應用新一代耐高溫400 ℃以上,接觸應力2400 MPa以上的軸承鋼;


5)推行以改善軸承應力分布,降低最大接觸應力,延緩表麵和次表麵裂紋源形成和疲勞裂紋擴張為要義的表麵完整性製造和抗疲勞製造;


6)進行以降低摩擦力矩,提高耐磨性,減輕打滑損傷為目標的單元素或多元素離子注入等表麵改性技術的研發應用;


7)進行小樣本、概率分布未知條件下的靜態試驗和動態試驗的理論研究及試驗方法、試驗手段的研發應用;


8)研發新一代模擬工況的軸承性能、耐久性和壽命試驗裝備及技術。


1.4 市場預測

我國民用飛機年產量及相應的配套軸承需求量見表2,其中按每架飛機需配套軸承2 000套(發動機軸承900套)計算,每架直升機需配套軼承1 500套計算。

表2 我國民用飛機產量及相應配套軸承需求量

據統計,2017年我國民用客機保有量3250架,全球占比15%,預計2035年升至8684架,全球占比19%。如此大的客機保有量,需要維修的軸承數量也很巨大。


1.5 小結

盡管與國外先進水平還有很大差距,我國軍用航空發動機主軸軸承已實現自主安全可控,而民用航空發動機主軸軸承則全部靠進口,實現自主安全可控任重而道遠。

(參考文獻略)

來源:《軸承》2022年1期(略有改動)


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