【軸承知識(shí)】為什么千萬(wàn)不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承？

為什么千萬(wàn)不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承（上）

如果你是一個(gè)正在準(zhǔn)備入職航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所的職場(chǎng)新人，設(shè)計(jì)所的各個(gè)部門(mén)都在向你招手，請(qǐng)問(wèn)你會(huì)心儀哪一處呢？

當(dāng)然了，這肯定會(huì)牽扯到你在大學(xué)里學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)，你的興趣，你的愛(ài)好，你的能力等等，但是聽(tīng)我一句勸，千萬(wàn)別去軸承設(shè)計(jì)部門(mén)，不然未來(lái)可有你受的。

軸承，航空發(fā)動(dòng)機(jī)里的關(guān)鍵零件

軸承可能各位朋友都見(jiàn)過(guò)，最常見(jiàn)的軸承大概就是下面的這個(gè)樣子，一般包括內(nèi)環(huán)（內(nèi)圈）、外環(huán)（外圈）、滾珠/滾棒（滾珠為球狀，滾棒為棒狀，可以統(tǒng)稱(chēng)為滾子）、保持架等結(jié)構(gòu)組成。世界上比較著名的軸承生產(chǎn)制造商有瑞典的SKF公司和德國(guó)的FAG公司，而中國(guó)比較著名的軸承生產(chǎn)商則包括哈軸和洛軸等。

那么航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面為什么會(huì)用到軸承這個(gè)零件呢？首先，我們要知道軸承的功能是什么，軸承的功能用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)講，就是在不約束物體特定某個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)自由度的同時(shí)，還能夠控制兩個(gè)物體之間的位置關(guān)系，說(shuō)人話(huà)就是：讓一個(gè)物體在我需要他轉(zhuǎn)動(dòng)的地方老老實(shí)實(shí)地轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著就不知道轉(zhuǎn)到哪里去了。所以你看軸承的內(nèi)圈和外圈之間實(shí)際上是可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，但是如果你想讓內(nèi)圈上下左右平移卻根本無(wú)法做到，這就是軸承中的“動(dòng)”與“不動(dòng)”。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的大部件，叫做轉(zhuǎn)子，這些轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，往往會(huì)達(dá)到一兩萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘，但是發(fā)動(dòng)機(jī)本身是不轉(zhuǎn)的，所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分要轉(zhuǎn)，一部分不轉(zhuǎn)，這兩個(gè)部分之間就一定要有一個(gè)交界面，這個(gè)交界面就是軸承。

換言之，我們需要一個(gè)部件來(lái)牢牢地攥住高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，既要讓他正常旋轉(zhuǎn)，又不能讓它飛走，這個(gè)部件就是軸承。

軸承到底是怎么工作的？為了要搞清楚航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承有多難設(shè)計(jì)，我們先不去說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)有多高的轉(zhuǎn)速、多么惡劣的工作環(huán)境，我們先要了解一件事情：軸承到底是怎么工作的？普通人理解的軸承工作過(guò)程應(yīng)該跟下面這個(gè)圖差不多：

就是很多個(gè)滾子支撐著外環(huán)，外環(huán)轉(zhuǎn)起來(lái)，就帶動(dòng)著所有的滾子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)——也就是說(shuō)所有的滾子都會(huì)滾動(dòng)在內(nèi)外環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，所以他們都是均勻受力，而且整個(gè)軸承都會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)地嚴(yán)絲合縫。但是事情真的是這樣嗎？顯然不是。比如說(shuō)我們用汽車(chē)舉例。汽車(chē)的車(chē)軸上也會(huì)使用軸承，但是顯然，四個(gè)車(chē)輪不僅需要轉(zhuǎn)動(dòng)，還需要承載整個(gè)汽車(chē)的重量，所以承載車(chē)軸的軸承還會(huì)受到一個(gè)豎直方向上的力，而在這個(gè)豎直方向的力的作用下，軸承的受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是上面這張動(dòng)圖里面那么地簡(jiǎn)單明了。

我們看看下面這張圖，是軸承在真實(shí)工作狀態(tài)下的受力，可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檩S承承載的物體往往會(huì)受到豎直方向上的力，所以每個(gè)滾子受到的力并非是均勻的。

而且在很多情況下，由于軸承需要允許滾子的受熱膨脹，因此內(nèi)環(huán)、滾子還有外環(huán)，三樣?xùn)|西并不是僅僅貼在一起的，而是在彼此之間留有一定的空隙，在豎直方向的力的作用下，很有可能軸承一圈數(shù)十個(gè)滾子，真正接觸的只有幾個(gè)。比如說(shuō)下圖中，只有三四個(gè)滾子被內(nèi)外環(huán)壓緊，所以軸承內(nèi)外環(huán)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，只會(huì)帶動(dòng)這四個(gè)滾子滾動(dòng)起來(lái)。

那么其他滾子呢？難道就在那兒罷工不動(dòng)了？我們只要打開(kāi)軸承，就會(huì)發(fā)現(xiàn)往往滾子并不是一個(gè)挨一個(gè)地?cái)D在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間，而是又類(lèi)似于豌豆莢一樣的東西包裹著滾子，我們可以通過(guò)下面兩張圖，分辨出來(lái)帶保持架和不帶保持架的滾子分別是什么樣的。

而所有滾子一起運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景應(yīng)該是這樣的：內(nèi)環(huán)和外環(huán)只壓緊了三五個(gè)滾子，帶動(dòng)這幾個(gè)滾子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且撞擊保持架，使保持架轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的保持架又去撞擊其他滾子，最后才一起運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

另外，對(duì)于某些滾棒軸承而言，保持架并不是會(huì)乖乖地呆在內(nèi)外環(huán)之間，而是有可能上下浮動(dòng)，所以保持架還有可能跟軸承內(nèi)外環(huán)發(fā)生碰撞。

所以軸承工作起來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)就是一個(gè)字：“亂”：你壓我，我撞你，你撞他，他還撞他，幾十個(gè)零件就是在這小小的空間里面上演全武行，并且這可是在每秒鐘幾百轉(zhuǎn)的極高轉(zhuǎn)速下互相撞擊，所以軸承的困難之處就源于此。

下回我們接著繼續(xù)

好了，本期我們只是開(kāi)了一個(gè)頭，只是簡(jiǎn)單說(shuō)了說(shuō)軸承的結(jié)構(gòu)還有它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際上，軸承中的問(wèn)題遠(yuǎn)比普通人想象得多得多，那么軸承到底難設(shè)計(jì)在哪兒？為什么我要說(shuō)千萬(wàn)不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承呢？

別著急，下期我們接著聊。為什么千萬(wàn)不要去設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承（下）上期說(shuō)到，在高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，只有少數(shù)幾個(gè)滾子吃著力，并且在軸承的方寸之地中，滾子、保持架、內(nèi)外環(huán)之間各種亂碰亂撞，那么如此混亂的場(chǎng)景中，到底隱藏著什么巨大隱患呢？

軸承壞掉的100種方法

其實(shí)在了解了軸承內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之后，就很容易理解軸承會(huì)怎么壞掉了。

首先，軸承中的滾子并不會(huì)均勻受力，而是由少數(shù)幾個(gè)滾子承受絕大部分的力，這就導(dǎo)致軸承滾子受到的力很大，同時(shí)我們還應(yīng)該注意到，滾子實(shí)際上是圓球或者圓柱體，這些滾子與滾道之間的接觸面積非常小，所以會(huì)在材料內(nèi)部形成很大的應(yīng)力，這些應(yīng)力時(shí)不時(shí)地就會(huì)給軸承造成很大的麻煩。

比如說(shuō)過(guò)大的應(yīng)力反復(fù)碾壓在滾道上，就有可能會(huì)造成軸承滾道上出現(xiàn)點(diǎn)蝕或者剝落的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象雖然不會(huì)造成軸承徹底損壞，但是會(huì)讓絲滑滾動(dòng)的軸承變得坑坑洼洼，從而引起機(jī)械裝置的異常。

而應(yīng)力如果再大，就有可能導(dǎo)致內(nèi)外環(huán)整個(gè)開(kāi)裂，從而讓機(jī)械裝置完全不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

而除了過(guò)大應(yīng)力產(chǎn)生的碾壓，剛剛說(shuō)到的滾子和保持架之間的撞擊、保持架和滾道之間的撞擊還會(huì)引起保持架的振動(dòng)。別看這些撞擊的力都不算大，但是積累起來(lái)卻還是能夠讓保持架產(chǎn)生裂紋，直至碎裂。

另外，軸承振動(dòng)起來(lái)之后，這些異常的振動(dòng)會(huì)向外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里蔓延，從而導(dǎo)致其他零件的振動(dòng)破壞。

而且在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里，由于轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生過(guò)程中對(duì)軸承產(chǎn)生的力方向會(huì)變來(lái)變?nèi)?，所以在變化過(guò)程中還有可能造成軸承滾子的打滑問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程就好像汽車(chē)行駛過(guò)程中忽然輪胎抱死一樣，不僅會(huì)造成滾道的劇烈磨損，滾子對(duì)保持架的撕扯，甚至于摩擦產(chǎn)生的巨大熱量會(huì)造成軸承整體的爆裂。

總之，由于軸承經(jīng)受的巨大載荷和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成軸承的損傷是多種多樣的，因此軸承如何安全運(yùn)轉(zhuǎn)一直是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最令人頭疼的問(wèn)題。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承破壞還有一些特殊之處需要細(xì)細(xì)講來(lái)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承為什么尤其難

為什么說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承設(shè)計(jì)起來(lái)尤其難呢？

有的朋友可能第一反應(yīng)就是：因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以軸承難設(shè)計(jì)。這個(gè)說(shuō)法有道理，因?yàn)閷?duì)于比較大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在10000-20000轉(zhuǎn)/分鐘之間，對(duì)于小一些的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)轉(zhuǎn)速甚至于可以接近40000轉(zhuǎn)/分鐘，也許大家沒(méi)有直觀的體驗(yàn)，但是我們平時(shí)見(jiàn)到的電扇轉(zhuǎn)速大概是600轉(zhuǎn)/每分鐘左右，只有航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的1.5%，所以在如此高的轉(zhuǎn)速下，軸承的工作環(huán)境自然很惡劣。

但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承可不止這一個(gè)困難。

第一，溫度是一個(gè)大問(wèn)題。

某些航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承必須要距離發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室很近，會(huì)有大量的熱量傳導(dǎo)到軸承位置，再加上航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的空間比較局促，冷卻潤(rùn)滑并非易事，所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承工作溫度會(huì)比其他機(jī)械中的軸承高很多，這就對(duì)軸承本身的材料提出了一些要求。另外，溫度提高之后軸承材料會(huì)發(fā)生膨脹，如果設(shè)計(jì)的不好，就有可能導(dǎo)致軸承出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力，帶來(lái)軸承的破壞。

第二，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)軸承的振動(dòng)更加敏感。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)橐獪p重，所以大量的零件是越做越薄，而越來(lái)越薄的零件最大的問(wèn)題就是對(duì)振動(dòng)非常敏感，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)破壞。而軸承中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生的碰撞就有可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)能量，引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件的破壞。

第三，也是最重要的，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種工況變化很大的機(jī)械。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是安裝在飛機(jī)上的，飛機(jī)需要起飛、著陸、機(jī)動(dòng)，所以對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在不同工況下，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、渦輪前溫度還有轉(zhuǎn)子變形都會(huì)有很大的變化。而在變化的過(guò)程中，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)不是單調(diào)的內(nèi)環(huán)或者外環(huán)安穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是前后上下左右地亂動(dòng)，這也同樣是極大的隱患。

航發(fā)軸承面臨的不僅僅是技術(shù)問(wèn)題

說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承難，實(shí)際上還不僅僅是技術(shù)問(wèn)題。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承作為連接轉(zhuǎn)動(dòng)件和非轉(zhuǎn)動(dòng)件之間的“交界面”，可以說(shuō)是兩頭受氣。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的不好，振動(dòng)過(guò)大，結(jié)果轉(zhuǎn)子沒(méi)事兒，先把軸承振壞了；靜子設(shè)計(jì)的不好，振動(dòng)能量沒(méi)有能夠妥善消除，結(jié)果又是軸承倒霉。

總之，發(fā)動(dòng)機(jī)任何部件設(shè)計(jì)的不好，都有可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)中的連鎖反應(yīng)，而軸承作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的薄弱點(diǎn)，往往是最先遭殃的，所以表現(xiàn)出來(lái)就是：航空發(fā)動(dòng)機(jī)老是會(huì)出現(xiàn)軸承損壞的故障。

然后故障一出，明明故障的根源在于轉(zhuǎn)子或者靜子設(shè)計(jì)，但這些部件的設(shè)計(jì)部門(mén)什么事情沒(méi)有，就只有軸承設(shè)計(jì)部門(mén)自己反思，真的是哭死這些員工了。

實(shí)際上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)整體，其中的任何故障往往都是多個(gè)系統(tǒng)之間發(fā)生的連鎖反應(yīng)，如果每次只是頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳，軸承壞了就都是軸承設(shè)計(jì)的不好，那自然是治標(biāo)不治本。軸承本來(lái)就已經(jīng)很難了，卻還要承受“不該承受之痛”，這就絕對(duì)不僅僅是技術(shù)問(wèn)題了。