滚动轴承在工作时,滚子应在内、外环滚道上作纯滚动运动。要使滚子作纯滚
动,必须在滚道与滚子间有足够的拖动力以克服阻碍滚子保持架组合件作正常运动的阻力;否则轴承不能按游星齿轮系的关系运动(内环相当于主动齿轮,滚子相当于游星轮,保持架相当于游星架,外环则相当于太阳齿轮),滚子就会在滚道上打滑,一旦打滑易导致滑蹭损伤(skiddingdamage)。
图、
空心滚珠内焊接区的裂纹导致表面疲劳剥落情形
阻碍滚子保持架组合件正常运动的阻力一般有:滚子保持架的惯性阻力(当转子加速或减速时,它会阻碍轴承的正常运动),滑油在轴承内部产生过大的扰动力(使功率消耗过大),以及保持架与外环间的滑油膜黏性阻力等。
作用在滚子上的载荷在滚子与滚道间产生的摩擦力就是拖动滚子保持架运动的拖动力。当发动机处于正常工作状态时,由于作用在轴承上的轻载或零载的影响,滚子上所受的径向力很小,或者滚子上无载荷。另一方面,在高速轴承中,在滚子在离心力的作用下,有与内环滚道脱离接触的趋势。这就造成在滚棒轴承或推力载荷很小的滚珠轴承中拖动滚子保持架的拖动力大大降低,在阻碍滚子保持架运动的阻力作用下,有可能使轴承出现打滑。滚动轴承一旦打滑,很易产生滑蹭损伤。一般滑蹭损伤多出现于滚棒轴承中,但在轴向载荷小的滚珠轴承中有时也会出现。例如RBB发动机在正式投入航线使用后的半年多时间内,风扇转子的中介滚珠轴承就发生过5次滑蹭损伤事件。
滚动轴承出现滑蹭损伤后,最常见的结果是表面擦伤磨损,表面剥落等。严重时,由于滚子与内环间产生过大的摩擦热量会使内环膨胀,减小了轴承内部的间隙(即游隙),将轴承卡死。因此,在高转速发动机主轴承上,应特别注意防止轴承滑蹭损伤。目前,在大多数的设计中,为了减少滑蹭损伤,既可采用减小阻碍滚子保持架运动的阻力的方法,也可采用增加拖动力也即加大作用于滚子上的载荷(即预加载)的方法,或两者同时采用。具体措施参见“航空发动机的轴承滑蹭损伤与防止措施”。
混合轴承，动压油膜轴承能在很高的DN值下工作而不会出现疲劳损坏,承受载荷的能力也大,因此它能成功地用于地面燃气涡轮装置。在这种装置中,滑油泵是由其他动力带动的,因此可以克服其启动、停车以及低温启动性能差的缺点。滚动轴承虽然具有良好的启动、停车与低温启动的性能;但在高速中,由于滚子离心力的增大,使轴承性能恶化。表4列出了滑油泵由发动机本身带转的两种轴承性能的比较。
表4航空发动机推力轴承的性能比较(滑油泵由发动机带转)
20世纪60~70年代,国外曾开展将滚珠轴承与动压油膜轴承组合起来的混合轴承的实验研究工作。这种混合轴承充分利用了两种轴承各自具备的优点以满足今后航空发动机主轴承DN值更高的要求。当时研究的混合轴承有串联与并联两种。前者是使转速在两个轴承中分担,后者是使载荷在两轴承中分担。
串联式混合轴承，串联式混合轴承如图20所示。它是达到高速轴承使用与长寿命的一种方法。动压油膜轴承的一环与转轴刚性连接,另一环则与滚珠轴承内环刚性连接,滚珠轴承外环支持于机匣中。两个轴承均承受相同的轴向载荷。低转速时,通向动压油膜轴承的滑油由离心力产生的油压不够大,动压油膜轴承不起作用,因此,滚珠轴承内环与转轴以同一转速工作。当转速大到一定值后,由离心力产生的滑油压力足够大使动压油膜轴承开始工作,于是滚珠轴承内环以低于转轴的速度工作,也即滚珠轴承的工作转速低于转轴的转速,从而使轴承寿命得以提高。
图20、串联式混合轴承示意图
并联式混合轴承，并联式混合轴承又称混合助推轴承,是一种减小作用于高速滚珠轴承上的轴向载荷因而可提高轴承寿命的措施。图21所示为一种试验的并联式混合轴承。滚珠轴承以一定的间隙装在轴承座1中,轴承内环3与动压油膜轴承的动环5装在轴上并用螺母7压紧,油膜轴承的静环4固定于轴承座上,滚珠轴承外环与油膜静环4之间装有垫片10、11及弹簧9。在转子轴向载荷的作用下,滚珠轴承外环在座孔中向前移动,压缩弹簧。
静子与转子相互间的尺寸调整到:当弹簧受到完全压缩时,正好使油膜轴承的动、静环之间的油膜间隙hf接近0.mm(0.5mil),此图21一种试验的并联式混合轴承时,油膜轴承工作于最佳条件下,因而承担了总载荷中的其余载荷。图22示出了这种轴承的试验结果。
图21、一种试验的并联式混合轴承
由图22可以看出,转子的轴向载荷基本上是按50/50的比例分配于滚珠轴承与油膜轴承的。由于滚珠轴承上的载荷减小了一半,轴承的寿命则可大大提高。
图22、并联式混合轴承试验结果
轴承的润滑与冷却的环下供油。在高速滚动轴承中,滚子与内、外环间的摩擦热量很大,因此须用滑油及时进行冷却。一般内环接触处的发热量大,其温度较外环处约高27℃。当DN值大于1.6×以后,常用的直接喷油润滑已经不能满足要求了。因为它不能对发热量较多的内环提供充分的冷却,以至温度的增高引起了轴承内部间隙变化过大的问题。
单纯提高喷油量并不能改善冷却效果。因为油量增大后,会加剧滑油在轴承内部的搅动,反而会使轴承温度提高。图23示出了JT4发动机四号止推轴承组的温度随滑油量的变化。单列轴承温度变化的趋势也与它相类似。
图23、止推轴承组的温度随滑油量的变化
因此,在高速主轴承上,目前已广泛采用“环下”润滑系统。
在这种系统中,滑油由喷嘴先喷到轴上的引油槽中(或直接用管道引到轴上的油槽中),然后引到轴承内环的下面,并通过内环上的径向孔在离心力的作用下喷出(如图24与图25所示)。
喷出的滑油首先冷却温度较高的内环,然后冷却外环与保持架,再由两侧流出轴承。
在这种系统中,因为滑油在轴上的油槽内流动,因此还能减少涡轮等高温部件传至轴承的热量。
图24、轴承的环下供油(之—)
直接喷油润滑还存在由于滑油中的细小脏物造成轴承严重磨损的问题。环下润滑方式却能减小脏物损坏轴承的机会。这也是这种润滑系统的显著优点之一。
图25、轴承的环下供油(之二)
滑油不仅冷却轴承,而且还在滚子与环的接触之间形成一个弹性流体动力膜的接触面,如图26所示,因而减小了作用于滚子与环上的接触应力,提高了轴承的疲劳寿命。当接触应力减小10%时,平均能使轴承的疲劳寿命提高2倍。
滚动轴承中的弹性流体动力膜是由于滑油的液体动力压力与轴承材料的弹性接触压力之间达到平衡时所形成的油膜。这种油膜的工作能力不仅取决于前述的轴承表面纹理结构,而且与滑油的组分和黏度有关。
图26、弹性流体动力膜
当弹性流体动力膜遭到破坏,轴承就会出现过早的疲劳剥落损坏。因此应该为轴承选择恰当的润滑剂。随着轴承的工作温度的增高,需要采用并发展具有较好的热稳定性与抗氧化性的润滑剂。滑油在高温下易于氧化,滑油氧化后就会分解为可溶性与不可溶性两种成分,其结果:
(1)滑油的黏度逐渐提高;(2)形成黏着表面的积沉物,堵塞轴承内部的空腔;(3)金属部分锈蚀与变质;
(4)油泥或其他可溶性成分会污染滑油系统。国外已经研制了一些能克服某些有害影响的热稳定合成滑油。
表5、几种轴承用的润滑剂
早期的发动机中,广泛地采用石油类的润滑油。如美国的MILL。20世纪50年代中期,为了满足较高温度的需要,发展了双酯类合成滑油,如MILL。由于发动机主轴承的温度还将提高,估计今后可能采用的润滑剂是诸如MILL、MoS2、石墨以及PbO之类的固体剂。表5列出了美国的几种润滑剂在氧化环境下的可用温度极限和售价。如果在惰性环境的润滑系统中工作,其工作温度约可提高38℃。