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超高溫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承

2014-07-06 19:27:13 點(diǎn)擊數(shù):

航天動(dòng)力的先進(jìn)汽油渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于設(shè)計(jì)階段。這些發(fā)動(dòng)機(jī)將具有非常高的效率,而且在很多例子中,能使航天飛機(jī)的速度超過3馬赫。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承的工作條件要求非常高。可以預(yù)測到,主軸轉(zhuǎn)速超過30000r/min,而軸承的溫度超過650°C。

在需要有較長的軸承壽命的用途中,對(duì)于采用液體潤滑的鋼制軸承來說,目前的溫度極限是200°C。對(duì)于軸承壽命短的應(yīng)用中,有可能達(dá)到450°C。即使使用在技術(shù)上最先進(jìn)的液體潤滑劑和金屬合金,在軸承工作極限壽命中,軸承的工作溫度是500°C。

越過常規(guī)軸承的設(shè)計(jì)理念,利用最新的研究成果應(yīng)用到高溫材料和固體潤滑劑的新想法是需要的。在目前的溫度極限下,預(yù)計(jì)極高的工作溫度(800°C -900°C)是不可能達(dá)到的。陶瓷軸承帶來了能提高工作溫度達(dá)到相當(dāng)于650°C的希望,但是發(fā)生在高速高溫陶瓷滾動(dòng)軸承中的摩擦的相互作用是復(fù)雜和變化的。軸承和潤滑劑材料的有效選擇取決于他們熱量的、物理的、化學(xué)的和機(jī)械的特性,也包括應(yīng)用的工作環(huán)境和工程技術(shù)約束。

滾動(dòng)體和滾道的材料

對(duì)于高溫軸承的滾動(dòng)體和滾道,評(píng)價(jià)材料的最重要標(biāo)準(zhǔn)是高溫強(qiáng)度(硬度),機(jī)械特性和氧化性。工具鋼是目前制造航天發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的最常用材料,它的實(shí)際溫度極限大約是400°C。在這種溫度下,正常軸承用鋼會(huì)快速失去硬度。

超高溫軸承是一組高性能陶瓷材料。在溫度高于1100°C時(shí),這些陶瓷材料比常規(guī)的軸承工具鋼具有更高的硬度。在過去的10年里,開發(fā)了一種具有高速高溫的陶瓷材料制成的滾動(dòng)軸承:熱壓的或熱等靜壓的氮化硅。當(dāng)有足夠的潤滑劑的時(shí)候,氮化硅是合用的,因?yàn)榫哂泻玫母邷貜?qiáng)度和硬度,在強(qiáng)度/重量關(guān)系上有優(yōu)勢,而且還能具有極好的防止?jié)L動(dòng)體發(fā)生疲勞性能。

然而,氮化硅有缺點(diǎn),包括較低的抗拉強(qiáng)度,較低斷裂韌度和非常低的熱膨脹系數(shù)。由于具有這些性能,在陶瓷軸承的制造和應(yīng)用方面需要做大量的開發(fā)工作。

其他的陶瓷材料,例如碳化硅和碳化鈦,已經(jīng)被評(píng)為合適的滾動(dòng)體和滾圈的材料。盡管不像氮化硅那么普及和成熟,它們確實(shí)具有某些能夠使其成為高溫滾動(dòng)軸承備選材料的性能。例如,在做40000r/min的軸承測試中,把碳化硅作為滾動(dòng)體的材料,雖然溫度沒有達(dá)到極限,但是它已經(jīng)超過了液體潤滑劑的范圍。潤滑系統(tǒng)僅僅包含了一層固體潤滑劑膜。

碳化硅有利于在高溫軸承中應(yīng)用的性能是其良好的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率,抗氧化性和高純度(性能幾乎不受雜質(zhì)的影響)。這種材料的一個(gè)缺點(diǎn)是它具有較高的彈性模量。它的彈性模量比熱壓氮化硅高出50%,因?yàn)楦吆掌澖佑|應(yīng)力的危險(xiǎn),使這一特性作為一個(gè)潛在的問題。

固體潤滑劑

值得注意的是,對(duì)于大多數(shù)的合成潤滑劑,它的溫度極限幾乎等于最先進(jìn)的軸承用鋼的溫度。對(duì)于未來渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),計(jì)算的工作溫度是大大超過了這些材料的溫度極限。唯一的解決辦法就是利用非常規(guī)的潤滑劑。

如果滾動(dòng)軸承充分潤滑劑和并且有良好的密封性,阻擋污染物進(jìn)入,軸承的壽命一般取決于材料的疲勞極限。如果不能采用液體潤滑劑,則有必要采用某種形式的邊界潤滑來減少摩擦熱和磨損。軸承接觸部分表面形成的氧化層可以提供有限周期的潤滑。

當(dāng)選擇了固體潤滑劑之后,發(fā)現(xiàn)困難在于找到一種復(fù)合物,它的耐熱和抗氧化性都超過溫度范圍,例如,從-50°C到+980°C。在低溫條件下工作良好的固態(tài)潤滑劑經(jīng)常會(huì)在高溫情況下被損壞或變得有磨蝕性,反之亦然。

潤滑膜的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不過分,即使采用陶瓷材料時(shí)也是這樣。無潤滑的氮化硅或碳化硅既沒有固有的低摩擦性,也沒有良好的抗磨損性。這些特性可以通過與材料相適宜的固態(tài)潤滑劑的幫助而獲得。用包含高溫添加劑的石墨潤滑氮化硅,可以形成一層減小摩擦系數(shù)的摩擦化學(xué)膜,因此,便減少了熱量的產(chǎn)生。摩擦力的減小取決于:油膜與基體材料相比,它是否更容易被撕裂。

對(duì)于工作在超高溫—--高于550℃情況下的軸承,更要考慮較之于石墨潤滑劑更具熱穩(wěn)定性的固態(tài)潤滑劑。在充分理解各式各樣元件之間的摩擦學(xué)關(guān)系的前提下,來進(jìn)行復(fù)雜潤滑系統(tǒng)的開發(fā),如:高溫潤滑劑,陶瓷制軸承,是絕對(duì)必要的。

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