高DN值軸承損傷容限設計準則探討

方靖文

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

一、前言

近些年來，燃氣渦輪發(fā)動機技術水平不斷地提升，對發(fā)動機主軸承運轉速度提出了越來越高的要求。發(fā)動機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應力，都可能導致元件在嚴重剝落以前，其材料內部缺陷快速擴大，從而使其裂紋尺寸超過臨界裂紋尺寸，導致軸承發(fā)生快速斷裂。依據(jù)高DN值軸承引力強度因子設計以及容許裂紋設計準則，能夠有效地防止發(fā)動機軸承快速斷裂。

二、航空發(fā)動機主軸承斷裂機理分析

航空發(fā)動機主軸承的運轉速度在不斷地提高，而伴隨著其速度的不斷提升，軸承斷裂的機率也就大大提升。航空發(fā)動機為了保證軸承在高DN值、高溫和高負荷下工作，解決軸承套圈快速斷裂問題，必須從斷裂力學角度出發(fā)，發(fā)展軸承新材料，采用新的工程方法設計高DN值下的軸承損傷容限，相關研究發(fā)現(xiàn)，高DN值下軸承內圈上會形成比較大的周向應力，如此一來，就使得內圈應力水平遠遠超過外圈，因此，大部分情況下的軸承斷裂都是由內圈引發(fā)的。[1]近些年來，我國航空發(fā)動機頻頻出現(xiàn)故障，引起了軸承生產廠家以及發(fā)發(fā)動機研發(fā)制造單位的高度關注，在設計方面和材料方面都做出了積極的嘗試和努力。在發(fā)動機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；在軸承設計方面，通過一系列的機理分析及驗證研究，編排出一系列的軸承設計分析程序。航空發(fā)動機軸承材料的斷裂韌性以及疲勞裂紋擴展率，對于研究斷裂問題有十分重要的參考意義。在發(fā)動機軸承的實際應用中，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，對軸承的性能造成了不良的影響，導致材料組織的連續(xù)性均勻性被破壞，使軸承材料斷裂韌性不佳，導致其機械強度降低。在實際應用當中，這些原始缺陷在機件承受的作用力下進一步擴大，當裂紋深度擴展到一定程度時，便會導致軸承斷裂。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用意義。[2]現(xiàn)階段我國航空發(fā)動機軸承所使用的材料很大程度上限制了軸承DN值的提升，因此對軸承材料的斷裂韌性要求比較高，必須對當前所使用的軸承材料進行熱處理工藝改進，以優(yōu)化斷裂韌性性能。

三、高DN值軸承損傷容限設計準則

（一）高DN值軸承應力強度因子設計準則

高顛子軸承應力強度因子設計準則適用于航空發(fā)動機軸承臨近使用壽命或者其應力水平比較高的情況。元件的應力水平在高DN值情況下會顯著增加。我國現(xiàn)役發(fā)動機在使用期內，不對發(fā)動機主軸承進行檢測，當發(fā)動機軸承元件應力水平趨于臨界應力強度時，會使得軸承材料原始缺陷擴展加速，裂紋擴大導致在嚴重剝落之前發(fā)生快速斷裂，從而導致巨大災難事故的發(fā)生。

高DN值軸承應力強度因子設計準則：確定材料裂紋尺寸，計算應力值，從而求出裂紋形狀參數(shù)，再由相關公式計算應力強度因子，必須使平面應變應力強度因子小于平面應變斷裂韌性。受高DN值的限制，即使采用應力強度因子設計準則，使得應力強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。但應該注意的是，采用具有高斷裂韌性的發(fā)動機軸承材料，其具有的其他性能也必須滿足現(xiàn)役發(fā)動機的需要。

（二）高DN值軸承容許裂紋設計準則

高DN值軸承容許裂紋設計準則適用于當發(fā)動機軸承材料的工作應力水平比較低，其屈服強度值及極限抗拉強度比較高時，此時的軸承壽命裕度比較高。運用這一準則，首先要對軸承裂紋進行有效的分析，具體成因：首先，軸承存在一定滑動。其次，內圈在軸上出現(xiàn)滾動；第三，不當?shù)臐櫥?；第四，與軸配合非常緊；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，面對軸承實施適當?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，考慮對內圈實施特殊性熱處理。準確計算出臨界裂紋尺寸，KI(應力強度因子)＞=KIC(斷裂韌性——臨界應力強度因子），由于KI屬于名義應力(Stress)以及裂紋長度（a)的函數(shù),比如：Y(系數(shù)）X (Stress）X (a)^(1/2)，當給定名義應力值，如等于屈服強度時，即可以計算出臨界裂紋尺寸（a_max ＜=K_Ic/(Y X Stress)。所謂的臨界裂紋尺寸，就是在一定的運轉應力下導致軸承快速斷裂的裂紋尺寸，計算臨界裂紋尺寸，對于分析發(fā)動機軸承快速斷裂、制定預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，會因為疲勞而迅速擴展，在剝落之前就達到臨界裂紋尺寸，將增加事故發(fā)生風險。因此必須要設計出容許裂紋尺寸，根據(jù)發(fā)動機軸承的維修要求、使用條件以及具體性能來進行計算，從而將軸承裂紋可擴大的范圍控制在容許裂紋尺寸以下，減少航空發(fā)動機軸承斷裂的風險。

四、結束語

航空發(fā)動機軸承套圈出現(xiàn)的裂紋是由于周向拉應力過大而產生的，因此通過合理的設計，能夠將外圈應力控制在可防止軸承快速斷裂的范圍，如何控制作用在內圈的離心力是發(fā)動機轉速增加時所重點考慮的問題。本文對兩個高DN值情況下的軸承損傷容限設計進行了探討分析，以期給相關研究提供參考。但應該注意的是，這兩個準則并不是完美的，其依然有待于在實踐應用當中不斷完善。