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航空發(fā)動機傳動的“關節(jié)”：軸承

2018-04-09

（來源：中國航空新聞網(wǎng)）

　　顧名思義，軸承就是給各種軸類結構（如轉軸、心軸、傳動軸）起支承作用的部件的總稱。從原理上說，軸承是把具有相對轉動，或者允許有相對轉動的兩個部件之間聯(lián)系在一起，以高效、平穩(wěn)地實現(xiàn)支承作用。軸承就像實現(xiàn)肢體運動的關節(jié)一樣不可或缺，人們形象地把它比作機械系統(tǒng)的“關節(jié)”?，F(xiàn)代工業(yè)中，較為常見的軸承類型有滾動軸承、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。在沒有大型動力設備的古代社會，人們?yōu)榱艘苿哟笮褪希ǔＴ谄涞撞糠胖萌舾蓤A木，推動石料，利用圓木的滾動實現(xiàn)石料的前移。這種樸素的思想所蘊含的基本道理與現(xiàn)代滾動軸承的設計初衷是一致的。文藝復興時期偉大的畫家和科學家達·芬奇就在繪制的手稿中展示過他所構想的軸承（如圖2）。可以看出，這種設計與現(xiàn)代滾動軸承的結構非常接近。

 圖2 達·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)展歷史上的春天。巨大的需求推動著軸承技術高歌猛進，也成就了軸承工業(yè)的蓬勃發(fā)展。單就滾動軸承而言，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；它的轉速范圍很寬，從靜止到每分鐘上百萬轉的轉速都可以運轉自如；它的應用范圍很廣，天上的飛機、火箭，地面的汽車、輪船，地下開掘隧道的盾構機等都離不開它，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，滾動軸承由滾動體、保持架、內滾道和外滾道組成。此外，為了防止?jié)櫥偷男孤┖臀廴?，密封圈也是很多滾動軸承都會配裝的零件。根據(jù)滾動體、保持架、內滾道、外滾道的結構形狀、材料、裝配形式等的不同，滾動軸承可以進行不同的分類。比如，以滾動體的結構形狀進行分類，滾動軸承可以分為：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，有些滾動軸承還會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)動機是現(xiàn)代工業(yè)技術的集大成者，軸承在航空發(fā)動機中發(fā)揮著重要的作用。綜合考慮傳動效率、結構可靠性、振動、潤滑等方面的要求，航空發(fā)動機采用的軸承主要是滾動軸承。而且滾動軸承集中應用在兩個主要部位——傳動系統(tǒng)和轉子系統(tǒng)（如圖4）。

圖4 商用航空發(fā)動機的主軸承位置

　　航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)中所用的軸承與其他領域應用的普通軸承相比，結構相似，但是轉速比較高，對重量和可靠性的要求也更加苛刻，如圖5所示是航空發(fā)動機齒輪箱中所用的軸承。另外，某些大涵道比渦扇發(fā)動機所采用的齒輪驅動風扇結構，也是采用滾動軸承實現(xiàn)行星架和行星齒輪之間的運動聯(lián)系。

圖5 航空發(fā)動機附件傳動齒輪箱軸承

　　航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)軸承支承著整個發(fā)動機Z核心的系統(tǒng)，是發(fā)動機中Z重要的軸承，通常稱作主軸承。航空發(fā)動機主軸承具有轉速高、工作環(huán)境溫度高、載荷復雜的特點。如果把航空發(fā)動機轉子系統(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、絕佳的平衡莫不與其息息相關。正如精湛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絕技?？茖W家和工程師們本著“親量圭尺，躬察儀漏，目盡毫厘，心窮籌策”的科學精神與工匠精神，克服了材料選擇、結構設計、潤滑設計、可靠性設計等諸多難題，才成就了主軸承超凡的工作性能。

　　根據(jù)滾動體的形狀，主軸承可以分為圓柱滾子軸承（如圖6）和角接觸球軸承。但它們與其他旋轉機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，結構都比較復雜。主軸承的外圈通常都會加工出一些特殊的結構，這樣處理既可以減重，又便于與發(fā)動機其他部件進行配裝。此外，軸承的內環(huán)通常做成分半式的，這種設計不僅僅是為了便于裝配，更重要的是使軸承在承受機動載荷時仍能實現(xiàn)平穩(wěn)可靠的支承作用。

 圖6 航空發(fā)動主軸圓柱滾子軸承

　　實際上軸承絕不僅僅是大家通常所見到的幾個組件裝配而成的結構，這個小部件也有一個大世界，它涉及材料、工藝、運動學、動力學、摩擦學、傳熱學、流體力學等諸多方面，而這些通常看不到的技術細節(jié)才是決定軸承性能的關鍵。軸承這個小部件之所以能發(fā)揮這么廣泛而重要的作用，與科技工作者們精益求精、追求完美的精神是分不開的。