陳聰慧，葛泉江，李 季，信 琦，毛宏圖

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110015；2.中國(guó)人民解放軍駐哈軸軍代表室，哈爾濱150036；3.空軍駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，沈陽(yáng)110034）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究

陳聰慧1，葛泉江2，李 季3，信 琦1，毛宏圖1

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110015；2.中國(guó)人民解放軍駐哈軸軍代表室，哈爾濱150036；3.空軍駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，沈陽(yáng)110034）

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)具有專業(yè)技術(shù)復(fù)雜，故障多發(fā)等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)分析，闡述了傳動(dòng)、潤(rùn)滑、密封和主軸軸承4個(gè)專業(yè)的技術(shù)水平現(xiàn)狀及未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并歸納總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)、外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)研制過(guò)程中的常規(guī)做法。認(rèn)為提高從業(yè)人員技術(shù)能力，完善專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范和提升機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)水平是當(dāng)務(wù)之急。從業(yè)人員應(yīng)關(guān)注設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，注重經(jīng)驗(yàn)積累，用數(shù)據(jù)說(shuō)話，重視基礎(chǔ)研究工作；同時(shí)建議積極開(kāi)展國(guó)際技術(shù)合作，加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)交流。

機(jī)械系統(tǒng)；傳動(dòng)；潤(rùn)滑；密封；軸承；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括傳動(dòng)、潤(rùn)滑、密封和主軸軸承系統(tǒng)4大部分。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多發(fā)、牽涉的學(xué)科多、國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的機(jī)械系統(tǒng)故障主要包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面。從中國(guó)現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的故障統(tǒng)計(jì)來(lái)看，機(jī)械系統(tǒng)的故障始終居高不下，包含其接觸副摩擦磨損易發(fā)、零組件數(shù)量多等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)因素；設(shè)計(jì)水平偏低、制造水平跟不上、試驗(yàn)裝配手段落后等客觀事實(shí)；同時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)環(huán)境重視程度不夠、投資力度偏弱、基礎(chǔ)和規(guī)范建設(shè)工作不到位等均有重要影響。因此，若要有效降低機(jī)械系統(tǒng)故障率，要求管理、設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)等人員共同努力。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)水平是在其他相關(guān)領(lǐng)域（汽車、化工、機(jī)床、船舶、鋼鐵等）的技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自身特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的。但國(guó)內(nèi)大部分研究部門(mén)的水平還處于仿制、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、排故、改進(jìn)、驗(yàn)證的初級(jí)循環(huán)過(guò)程中。除了設(shè)計(jì)方法、手段、材料、加工、裝配、載荷、試驗(yàn)等方面的影響，最重要的是基礎(chǔ)，也就是基本功和細(xì)節(jié)。當(dāng)然，設(shè)計(jì)體系和規(guī)范是保證設(shè)計(jì)水平的根本要素，但在目前相對(duì)不完善的前提下，細(xì)節(jié)顯得格外重要。

本文概括地分析了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)水平，并簡(jiǎn)單介紹了國(guó)外典型的常規(guī)做法，目的是使從業(yè)人員能夠認(rèn)識(shí)自身不足，努力提高技術(shù)水平，并提醒各方面人員對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)加強(qiáng)重視，進(jìn)而提升機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)水平。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)一直是國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是在滿足高速、重載工作條件的前提下，減小傳動(dòng)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，提高其壽命和可靠性，并降低成本、提高經(jīng)濟(jì)可承受性[1]。

國(guó)外已建立了完整地計(jì)算分析系統(tǒng)、強(qiáng)度及性能試驗(yàn)技術(shù)，將各個(gè)部件的受力、變形等對(duì)其自身和相關(guān)聯(lián)部件產(chǎn)生的影響綜合考慮到強(qiáng)度計(jì)算中，靜、動(dòng)態(tài)分析都比較完善，計(jì)算方法能夠比較準(zhǔn)確地模擬真實(shí)工作情況。隨著齒輪動(dòng)態(tài)技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)展了傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）技術(shù)研究，評(píng)估齒輪的齒形誤差及由此帶來(lái)的噪聲等問(wèn)題；在試驗(yàn)方面，通過(guò)齒輪構(gòu)件的疲勞-壽命特性試驗(yàn)，獲得構(gòu)件的S-N曲線，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)齒輪的壽命，提高其疲勞強(qiáng)度；在噴油潤(rùn)滑方面，通過(guò)進(jìn)行1組齒輪磨損試驗(yàn)，對(duì)不同噴油狀況下齒輪磨損和溫升情況進(jìn)行對(duì)比研究。通過(guò)上述基礎(chǔ)試驗(yàn)，得到了大量數(shù)據(jù)，建立了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)；既可滿足使用要求，又兼顧了經(jīng)濟(jì)性。這些計(jì)算分析系統(tǒng)、測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算方法構(gòu)成了完整的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系，可以確保一次性設(shè)計(jì)成功。

國(guó)外第4代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型特征是附件機(jī)匣與潤(rùn)滑系統(tǒng)附件一體化集成，比上一代發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)多個(gè)附件的串聯(lián)或集成設(shè)計(jì)，如主燃油泵和加力泵的組合泵，高空活門(mén)與電機(jī)的串聯(lián)，以及超高轉(zhuǎn)速傳動(dòng)附件（高轉(zhuǎn)速滑油泵組、超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器等）的設(shè)計(jì)，從而減少附件傳動(dòng)軸的數(shù)量，縮短附件傳動(dòng)鏈，簡(jiǎn)化附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，提高其可靠性，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。PW公司自行研發(fā)的星型齒輪減速器，傳遞功率達(dá)20 MW，傳動(dòng)比為3∶1，輸入轉(zhuǎn)速10000 r/min。目前最先進(jìn)的垂直/短距起降升力風(fēng)扇形式推進(jìn)系統(tǒng)，其離合器系統(tǒng)可傳遞22 MW功率，具有較長(zhǎng)壽命。齒輪箱的功率質(zhì)量比高達(dá)30∶1，能在全部載荷下斷油工作1 min。

與國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)水平相比，國(guó)內(nèi)的技術(shù)差距主要體現(xiàn)在齒輪嚙合仿真、傳動(dòng)機(jī)匣與附件一體化設(shè)計(jì)、整體動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)及新型傳動(dòng)技術(shù)等方面。由于受制于發(fā)動(dòng)機(jī)附件數(shù)量多、轉(zhuǎn)速不同、外廓尺寸較大等因素影響，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為被動(dòng)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、軸數(shù)量多、機(jī)匣殼體體積和質(zhì)量較大。

通過(guò)“十五”、“十一五”的技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)的傳動(dòng)領(lǐng)域已擁有了較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析軟件，并結(jié)合型號(hào)研制工作，形成了設(shè)計(jì)方法和準(zhǔn)則[2]。但由于缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，沒(méi)有準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以將設(shè)計(jì)方法修正完善，影響了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

2 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí)牽涉到大量的2相流動(dòng)、彈流潤(rùn)滑、復(fù)雜換熱等較邊緣、難度大的學(xué)科，且經(jīng)典理論較少。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步和深入，對(duì)于潤(rùn)滑系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。因此，從20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐美航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)水平先進(jìn)國(guó)家逐漸重視航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的預(yù)先研究以及先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。在21世紀(jì)初期，德、法、英、比、意等歐洲國(guó)家聯(lián)合開(kāi)展了未來(lái)商用及軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的預(yù)先研究項(xiàng)目，耗時(shí)8 a，針對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)開(kāi)展了大量地試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、仿真及新材料的技術(shù)探索，取得了一批技術(shù)成果，主要包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔內(nèi)部的流動(dòng)和換熱、潤(rùn)滑系統(tǒng)著火和防火、新型電驅(qū)動(dòng)滑油泵及潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)、金屬海綿高效離心通風(fēng)器等技術(shù)，并已逐步應(yīng)用到商用發(fā)動(dòng)機(jī)中。

為滿足未來(lái)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，國(guó)內(nèi)主要開(kāi)展了以下方向的技術(shù)研究[3-6]。

（1）潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析技術(shù)研究。主要包括潤(rùn)滑系統(tǒng)循環(huán)量的精確設(shè)計(jì)、熱分析研究、軸承腔油氣2相流流動(dòng)與換熱研究、滑油通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析基礎(chǔ)研究、仿真技術(shù)等內(nèi)容。國(guó)外研究者以大量的軸承和齒輪試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的CFD流體分析軟件，能夠分析出油氣2相流條件下整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力、流量、溫度場(chǎng)等性能數(shù)據(jù)，確保軸承及齒輪獲得可靠的潤(rùn)滑和冷卻數(shù)據(jù)，并在隨后開(kāi)展的部件試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)以及飛行驗(yàn)證試驗(yàn)中逐步修正完善。

（2）潤(rùn)滑系統(tǒng)的精確分析及與飛機(jī)共同開(kāi)發(fā)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。由于未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷越來(lái)越高，潤(rùn)滑系統(tǒng)需要帶走的熱量逐漸升高；而飛機(jī)由于攜帶的機(jī)載設(shè)備發(fā)熱量也需要燃油進(jìn)行散熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)入口的燃油溫度逐步上升。需要更精確的系統(tǒng)熱分析技術(shù)，與飛機(jī)、燃油系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量合理地將熱量產(chǎn)生與發(fā)散分配到各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)行點(diǎn)?；颓坏臏囟葓?chǎng)計(jì)算更為精確，2相流的分析進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。準(zhǔn)確地給定各摩擦副的供油量，既能保證有效的冷卻效果又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的攪拌熱，達(dá)到最佳供油狀態(tài)。

（3）高效、輕量化的潤(rùn)滑系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)技術(shù)。例如通過(guò)新設(shè)計(jì)技術(shù)提升通風(fēng)器分離和滑油泵工作效率，以達(dá)到高轉(zhuǎn)速、小體積的滑油部件的設(shè)計(jì)能力。該技術(shù)結(jié)合燃油附件的小體積技術(shù)，可以減少附件機(jī)匣的傳動(dòng)齒輪軸數(shù)，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣的外廓尺寸大幅減?。徊捎眯滦蜕峒夹g(shù)，可以提升潤(rùn)滑系統(tǒng)散熱器的散熱效率，縮小散熱器體積；應(yīng)用新材料、新工藝技術(shù)來(lái)達(dá)到潤(rùn)滑系統(tǒng)各部件輕量化的目的。

（4）潤(rùn)滑系統(tǒng)全面的試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)定使用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范中的內(nèi)容相比，在每個(gè)型號(hào)研制過(guò)程中，國(guó)外對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)20余項(xiàng)，除對(duì)組成潤(rùn)滑系統(tǒng)的各滑油附件進(jìn)行試驗(yàn)研究工作外，其在裝至發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)之前，還需在潤(rùn)滑系統(tǒng)的姿態(tài)模擬試驗(yàn)器上開(kāi)展全狀態(tài)、全包線范圍的系統(tǒng)級(jí)性能試驗(yàn)及初始可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，這在國(guó)內(nèi)型號(hào)研制過(guò)程中是望塵莫及的。

（5）滑油的選取范圍更加廣闊。國(guó)外在常規(guī)的普通型（STD）的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)上，研制了高溫型（HTS）潤(rùn)滑油，以及防腐型（C/I）潤(rùn)滑油。其中，高溫型潤(rùn)滑油在普通型的基礎(chǔ)上，更加注重高溫性能，包括高溫下的油膜強(qiáng)度、抗氧化安定性、結(jié)焦特性等。而防腐型潤(rùn)滑油則更側(cè)重防腐性能。此外，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)在潤(rùn)滑油的使用方面，已經(jīng)表現(xiàn)出向更趨近于兼顧高、低溫性能且成本低廉的4mm2/s滑油方向發(fā)展。

（6）潤(rùn)滑子系統(tǒng)仿真分析技術(shù)快速發(fā)展。除目前能夠?qū)崿F(xiàn)的潤(rùn)滑油供油子系統(tǒng)的仿真分析計(jì)算外，國(guó)外對(duì)于油氣2相介質(zhì)的回油和通風(fēng)子系統(tǒng)的管路流阻和腔壓計(jì)算方面更為精確，使得潤(rùn)滑系統(tǒng)與空氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)更加緊密，可精確計(jì)算出其在各狀態(tài)下的工況參數(shù)，既保證各主軸承腔的轉(zhuǎn)、靜子之間的封嚴(yán)壓差，又控制了進(jìn)入滑油腔的熱空氣量相對(duì)較少。

3 密封技術(shù)

在軍、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)先進(jìn)密封技術(shù)的緊迫需求條件下，在20世紀(jì)80年代，美國(guó)為首的航空大國(guó)，在IHPTET計(jì)劃（綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)）中，多項(xiàng)密封技術(shù)被列為攻關(guān)項(xiàng)目，如刷密封、氣膜密封、反轉(zhuǎn)氣膜密封、石墨機(jī)械密封、篦齒密封等，并開(kāi)展了大量分析計(jì)算及試驗(yàn)研究。目前，現(xiàn)有密封技術(shù)基本能夠滿足現(xiàn)有軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)的使用條件。下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)面臨著更高參數(shù)的挑戰(zhàn)，包括高溫、高速、長(zhǎng)壽命、無(wú)磨損或低磨損、低發(fā)熱量等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要密封的技術(shù)現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有密封技術(shù)現(xiàn)狀

下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣路密封及滑油密封的要求使密封技術(shù)面臨著更高參數(shù)的挑戰(zhàn)，要求其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用及計(jì)算分析能力上全面提升，才能滿足未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)密封技術(shù)的需求。包括更高的使用溫度、密封速度、密封壓差及長(zhǎng)壽命和低磨損或無(wú)磨損、低發(fā)熱量等要求。下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)密封技術(shù)的需求指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 下一代密封技術(shù)需求指標(biāo)

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)密封技術(shù)的研究由專業(yè)化公司和院校中開(kāi)展，并由發(fā)動(dòng)機(jī)研制部門(mén)進(jìn)行匯總。密封和潤(rùn)滑專業(yè)及發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)結(jié)合地更加緊密，不單單是設(shè)計(jì)密封，而是將發(fā)動(dòng)機(jī)的密封和潤(rùn)滑系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。尤其注重基礎(chǔ)研究，像新型密封材料、表面處理技術(shù)、涂層、結(jié)構(gòu)密封形式、不同配對(duì)的密封件和跑道之間的最佳配對(duì)，關(guān)注最低發(fā)熱量、最小磨損和最佳密封效果等。

在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面，刷式密封等接觸式氣路密封大量應(yīng)用，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，國(guó)內(nèi)已有專業(yè)公司進(jìn)行刷式密封研究，包括刷絲材料、配偶跑道涂層、刷封和跑道的過(guò)盈量、單級(jí)承受的壓差、密封的發(fā)熱如何排出、刷絲的直徑、低滯后型刷式密封結(jié)構(gòu)、刷絲表面處理等技術(shù)。通過(guò)上述研究，使刷封得以應(yīng)用推廣到新型發(fā)動(dòng)機(jī)上，從而提高其性能，降低耗油率。

此外，各種新型密封技術(shù)日趨成熟，包括帶有蓄能環(huán)的唇式密封、靜密封，新型材料的靜密封，O型、C型、E型等金屬密封圈，磁力密封，機(jī)械密封等，都是由專業(yè)的密封公司設(shè)計(jì)和制造的，已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到使用，并廣泛應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

4 主軸軸承

在軸承設(shè)計(jì)分析技術(shù)方面，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家擁有成熟的軸承系統(tǒng)耦合分析軟件，和大量的使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，能夠進(jìn)行3維數(shù)字仿真分析與設(shè)計(jì)；大量采用了與支撐結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)的專用軸承，使軸承設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融為一體，在保持軸承基本功能的同時(shí)，為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、改善轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性等作出了重要貢獻(xiàn)。

詳細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的計(jì)算分析，對(duì)軸承的靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)的分析計(jì)算形成分析模式。在常規(guī)計(jì)算中對(duì)軸承供油噴嘴的壓力、最佳供油、表面應(yīng)力等進(jìn)行較準(zhǔn)確地分析評(píng)估。其計(jì)算工具經(jīng)多年完善和試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正變得更為精確。通過(guò)多年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和積累，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)齊全，使軸承的設(shè)計(jì)更能滿足實(shí)際需求。通過(guò)計(jì)算分析并與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比即可估算軸承的初始?jí)勖?，并能選取正確的材料、加工參數(shù)，使軸承的實(shí)際壽命通常高于設(shè)計(jì)壽命。

在軸承應(yīng)用技術(shù)方面，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)聯(lián)合軸承企業(yè)研發(fā)部門(mén)，共同制訂了較完善的軸承應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，建立了較完整的軸承應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)。雙方技術(shù)相互滲透、相互促進(jìn)，在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分重視為主軸承工作創(chuàng)造合理的工作環(huán)境、防止其他系統(tǒng)及零件對(duì)軸承造成傷害；在軸承設(shè)計(jì)時(shí)考慮其對(duì)整機(jī)性能的影響。軸承工況條件給出的更為全面、準(zhǔn)確。軸承公司根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員給出的初始條件進(jìn)行詳細(xì)溝通，并由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方進(jìn)行軸承腔的溫度場(chǎng)測(cè)量，從而使軸承設(shè)計(jì)條件更為準(zhǔn)確。

國(guó)外從第4代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始，主軸軸承與其他結(jié)構(gòu)件同機(jī)同壽、視情維護(hù)；民機(jī)、燃機(jī)主軸軸承壽命達(dá)到了數(shù)萬(wàn)小時(shí)，建立了長(zhǎng)壽命軸承壽命評(píng)估技術(shù)體系，主要根據(jù)理論分析結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)和飛行考核結(jié)果給定[13]。

除常規(guī)軸承以外，國(guó)外已在地面燃機(jī)和直升機(jī)和新研制的航機(jī)上采用了混合陶瓷軸承，利用了陶瓷軸承高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、耐熱及長(zhǎng)壽命的特性，為降低整機(jī)質(zhì)量，優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了條件[14]。

磁浮軸承已被國(guó)外列為21世紀(jì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵高新技術(shù)之一，歐美國(guó)家投入了大量的資金，期望占領(lǐng)航空高技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)[15]。美國(guó)在2個(gè)徑向和1個(gè)軸向磁浮軸承作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承的單軸發(fā)動(dòng)機(jī)模型上成功試驗(yàn)，軸承最高轉(zhuǎn)速為22000 r/min，DN值為450萬(wàn)（mm.r/min），前、后徑向和軸向的軸承載荷分別為18700、17000、12000 N，軸承的工作溫度為510℃。

在軸承試驗(yàn)研究方面，成熟材料的軸承很少做全尺寸軸承耐久性試驗(yàn)、基本不做壽命試驗(yàn)；對(duì)于新材料、新結(jié)構(gòu)軸承主要進(jìn)行軸承零件和系統(tǒng)試驗(yàn)。國(guó)外更加重視軸承基礎(chǔ)研究方面的試驗(yàn)工作，常規(guī)軸承試驗(yàn)DN值已經(jīng)達(dá)到400萬(wàn)（mm.r/min）。在軸承試驗(yàn)設(shè)備方面，國(guó)外具有多種軸承試驗(yàn)臺(tái)，按用途可分為疲勞、摩擦轉(zhuǎn)矩、潤(rùn)滑測(cè)試、密封性、通用測(cè)試和特殊應(yīng)用試驗(yàn)器。具備開(kāi)展收油效率、溫度場(chǎng)測(cè)量、功率消耗、保持架剎車特性、密封溫度和流量、耐久性、加速/減速剎車測(cè)試、滑油中斷、失效擴(kuò)展等試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

在軸承基礎(chǔ)研究方面，針對(duì)軸承損傷擴(kuò)展與再現(xiàn)、工作面及次表面殘余應(yīng)力與壽命的關(guān)系、滑油污染對(duì)壽命的影響等性能方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)定材料疲勞壽命極限，發(fā)展了軸承新壽命理論，確定各種材料的壽命、潤(rùn)滑和滑油污染度系數(shù)[16-17]。

在軸承先進(jìn)制造技術(shù)方面，向材料表面強(qiáng)化方向發(fā)展，領(lǐng)先的2次淬硬技術(shù)優(yōu)化了殘余應(yīng)力分布，增加了表面硬度，適用于表面應(yīng)力為2200 MPa以上以及滑油污染度較高的軸承工況條件，其壽命可達(dá)到雙真空冶煉M50鋼的14倍。

國(guó)外在軸承冷熱加工方面具有完善的標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，加工現(xiàn)場(chǎng)已開(kāi)始采用流程控制系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程、熱處理或鍍銀時(shí)間進(jìn)行管理，保證加工一致性，避免受到不同加工者的影響。加工時(shí)注重鍛造流線、組織分布、表面應(yīng)力狀態(tài)控制以提高和保證軸承的疲勞壽命；同時(shí)，國(guó)外已采取一系列有效的無(wú)損檢測(cè)手段，包括磁粉熒光檢查、酸洗、渦流檢測(cè)、X射線衍射儀檢測(cè)、巴克豪森噪聲儀檢測(cè)等，來(lái)控制產(chǎn)品的質(zhì)量。

在故障診斷方面，分析手段和方法更為科學(xué)和齊備，能夠較快定位各類故障并迅速解決。對(duì)于軸承的失效分析，國(guó)外已建立了軸承失效數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)每次失效的軸承進(jìn)行拍照、分析、編寫(xiě)故障特征和原因以及相關(guān)信息，庫(kù)中含有豐富的軸承失效圖片及信息庫(kù)，技術(shù)人員可以通過(guò)圖片信息比對(duì)來(lái)分析類似失效故障。

5 國(guó)外機(jī)械系統(tǒng)研制常規(guī)做法

綜上所述，國(guó)外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)研制過(guò)程中的常規(guī)做法主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）注重設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)規(guī)范中詳細(xì)規(guī)定了倒角、倒圓、光度、擰緊力矩、不平衡量要求等數(shù)值。

（2）注重基礎(chǔ)性試驗(yàn)。如軸承和齒輪的最佳供油，軸承的抗污染能力，潤(rùn)滑系統(tǒng)最佳循環(huán)量，密封摩擦副的配對(duì)試驗(yàn)，構(gòu)件的S-N試驗(yàn)，接觸副的表面應(yīng)力狀態(tài)控制等，注重試驗(yàn)數(shù)據(jù)的累積。

（3）專業(yè)化設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)各專業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工由專業(yè)公司完成，如傳動(dòng)方面的意大利的愛(ài)維歐（AVIO）公司，密封方面的法國(guó)圣戈班（Saint Gobain)公司，軸承方面的FAG、SKF公司，潤(rùn)滑方面的比利時(shí)Techspace Aero公司等。

（4）專業(yè)化技術(shù)咨詢。有些技術(shù)難題的解決由專業(yè)咨詢公司來(lái)完成，由各知名公司的高級(jí)技術(shù)和軟件專家組成專家組，把解決技術(shù)難題的過(guò)程做成專業(yè)化軟件。例如英國(guó)SMT公司等。

（5）主導(dǎo)性設(shè)計(jì)。以輕量化、簡(jiǎn)潔化設(shè)計(jì)，要求附件廠和飛機(jī)部門(mén)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。設(shè)計(jì)部門(mén)給飛機(jī)和附件廠提要求，輸入條件使得設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔，零件數(shù)量極大縮小，可靠性更高。

（6）集成化設(shè)計(jì)。潤(rùn)滑系統(tǒng)的許多部件和傳動(dòng)機(jī)匣組合設(shè)計(jì)，軸承、密封件和發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)件設(shè)計(jì)成一體，附件軸承采用帶有安裝邊的外、內(nèi)圈，可以減少構(gòu)件數(shù)。減輕質(zhì)量，提高可靠性。

（7）與其他行業(yè)的技術(shù)融合。航空業(yè)界的專家也是其他行業(yè)的專家，高難度的研究項(xiàng)目一般從航空領(lǐng)域開(kāi)始，研制成功后，移植到其他領(lǐng)域，當(dāng)然航空領(lǐng)域也要借鑒其他領(lǐng)域的技術(shù)。比如汽車行業(yè)的傳動(dòng)、密封技術(shù)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)包含的零部件數(shù)量多，涉及的專業(yè)技術(shù)紛繁復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題很多，絕不是一篇文章就能全面概述。在當(dāng)前的環(huán)境條件下，對(duì)于傳動(dòng)、潤(rùn)滑、密封、主軸軸承4個(gè)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。希望從業(yè)人員能從設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)出發(fā)，注重積累，用數(shù)據(jù)說(shuō)話，重視基礎(chǔ)研究工作；同時(shí)建議積極開(kāi)展國(guó)際技術(shù)合作，加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)交流。

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（編輯：肖磊）

Study on Aeroengine Mechanical System Technology

CHEN Cong-hui1,GE Quan-jiang2,LI Ji3,XIN Qi1,MAO Hong-tu1
（1.Key Laboratory of Power Transmission Technology for Aeroengine，AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China；2.The Chinese People's Liberation Army(PLA)Customer Representative Office in Harbin Bearing Co.，Ltd，Harbin 150036，China；3.Airforce Military Representative Office in Shenyang,Shenyang 110034,China）

Aiming at characteristics of complicated technology and multiple failure for aeroengine mechanical system,the status and future development trends of four professional technologies including transmission，lubrication，sealing and bearing were illustrated by analyzing the aeroengine mechanical system technology in the world,and conventional method in the development process of the aeroengine mechanical system in the West was concluded and summarized.All in all,the urgent thing is improving the design capability，perfecting the technical design specifications and promoting the mechanical technology levels now.Practitioners should pay attention to detailed design，experience and data accumulation，and basic the fundamental research.Meanwhile，it is a good advice to develop the technological exchange and cooperation of the aeroengine mechanical system in the world.

mechanical system；transmission；lubrication；sealing；bearing；aeroengine

V 233

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.05.018

2014-11-23 基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

陳聰慧（1964），男，碩士，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)研究工作；E-mail：cch6065@hotmail.com。

陳聰慧，葛泉江，李季，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（5）：86-91.CHEN Conghui，GE Quanjiang，Liji，et al. Study on aeroengine mechanical system technology[J].Aeroengine，2015，41（5）：86- 91.