航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的“關(guān)節(jié)”：軸承
2018-10-09 （來源：中國航空新聞網(wǎng)）
顧名思義，軸承就是給各種軸類結(jié)構(gòu)（如轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動(dòng)軸）起支承作用的部件的總稱。從原理上說，軸承是把具有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或者允許有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)部件之間聯(lián)系在一起，以高效、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)支承作用。軸承就像實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)一樣，人們形象地把它比作機(jī)械系統(tǒng)的“關(guān)節(jié)”?，F(xiàn)代工業(yè)中，較為常見的軸承類型有滾動(dòng)軸承、油膜軸承、電磁軸承、氣浮軸承等（如圖1）。
圖1 幾種常見的軸承
值得指出的是，軸承的雛形很早就已經(jīng)形成了。在沒有大型動(dòng)力設(shè)備的古代社會(huì)，人們?yōu)榱艘苿?dòng)大型石料，通常在其底部放置若干圓木，推動(dòng)石料，利用圓木的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)石料的前移。這種樸素的思想所蘊(yùn)含的基本道理與現(xiàn)代滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)初衷是一致的。文藝復(fù)興時(shí)期偉大的畫家和科學(xué)家達(dá)·芬奇就在繪制的手稿中展示過他所構(gòu)想的軸承（如圖2）?？梢钥闯?，這種設(shè)計(jì)與現(xiàn)代滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)非常接近。
圖2 達(dá)·芬奇繪制的軸承手稿
隨著近代工業(yè)文明的到來，軸承迎來了發(fā)展歷的春天。巨大的需求推動(dòng)著軸承技術(shù)高歌猛進(jìn)，也成就了軸承工業(yè)的蓬勃發(fā)展。單就滾動(dòng)軸承而言，種類繁多，甚至可以用眼花繚亂來形容。它的體量跨度很大，大者直徑可達(dá)數(shù)米（如圖3），小則只有借助放大鏡才能完成裝配過程；它的轉(zhuǎn)速范圍很寬，從靜止到每分鐘上百萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速都可以運(yùn)轉(zhuǎn)自如；它的應(yīng)用范圍很廣，天上的飛機(jī)、火箭，地面的汽車、輪船，地下開掘隧道的盾構(gòu)機(jī)等都離不開它，其蹤跡可謂“上窮碧落下黃泉”。
圖3 大型球面滾子軸承
通常來說，滾動(dòng)軸承由滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)滾道和外滾道組成。此外，為了防止?jié)櫥偷男孤┖臀廴荆芊馊σ彩呛芏酀L動(dòng)軸承都會(huì)配裝的零件。根據(jù)滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)滾道、外滾道的結(jié)構(gòu)形狀、材料、裝配形式等的不同，滾動(dòng)軸承可以進(jìn)行不同的分類。比如，以滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行分類，滾動(dòng)軸承可以分為：深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、球面滾子軸承、圓錐滾子軸承和推力圓錐滾子軸承等。此外，為了能承受較大的載荷，有些滾動(dòng)軸承還會(huì)做成兩排或多排的形式，如雙列角接觸球軸承和四列圓錐滾子軸承。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的集大成者，軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮著重要的作用。綜合考慮傳動(dòng)效率、結(jié)構(gòu)可靠性、振動(dòng)、潤滑等方面的要求，航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的軸承主要是滾動(dòng)軸承。而且滾動(dòng)軸承集中應(yīng)用在兩個(gè)主要部位——傳動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（如圖4）。
圖4 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承位置
航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中所用的軸承與其他領(lǐng)域應(yīng)用的普通軸承相比，結(jié)構(gòu)相似，但是轉(zhuǎn)速比較高，對(duì)重量和可靠性的要求也更加苛刻，如圖5所示是航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱中所用的軸承。另外，某些大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，也是采用滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)行星架和行星齒輪之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。
圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)齒輪箱軸承
航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸承支承著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的系統(tǒng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的軸承，通常稱作主軸承。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承具有轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境溫度高、載荷復(fù)雜的特點(diǎn)。如果把航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)比作一位跳芭蕾的舞者，主軸承就是她的足尖，優(yōu)雅的旋轉(zhuǎn)、的平衡莫不與其息息相關(guān)。正如的舞姿需要付出超常的努力一般，主軸承也是經(jīng)過了千錘百煉以后才練就了一身?？茖W(xué)家和工程師們本著“親量圭尺，躬察儀漏，目盡毫厘，心窮籌策”的科學(xué)精神與工匠精神，克服了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、潤滑設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等諸多難題，才成就了主軸承超凡的工作性能。
根據(jù)滾動(dòng)體的形狀，主軸承可以分為圓柱滾子軸承（如圖6）和角接觸球軸承。但它們與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械中相同類型的軸承有明顯的區(qū)別。通常來說，無論是圓柱滾子型主軸承還是角接觸型主軸承，結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。主軸承的外圈通常都會(huì)加工出一些特殊的結(jié)構(gòu)，這樣處理既可以減重，又便于與發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件進(jìn)行配裝。此外，軸承的內(nèi)環(huán)通常做成分半式的，這種設(shè)計(jì)不僅僅是為了便于裝配，更重要的是使軸承在承受機(jī)動(dòng)載荷時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠的支承作用。
圖6 航空發(fā)動(dòng)主軸圓柱滾子軸承
實(shí)際上軸承絕不僅僅是大家通常所見到的幾個(gè)組件裝配而成的結(jié)構(gòu)，這個(gè)小部件也有一個(gè)大世界，它涉及材料、工藝、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等諸多方面，而這些通?？床坏降募夹g(shù)細(xì)節(jié)才是決定軸承性能的關(guān)鍵。軸承這個(gè)小部件之所以能發(fā)揮這么廣泛而重要的作用，與科技工作者們精益求精、追求的精神是分不開的。
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