高DN值轴承损伤容限设计准则探讨

方靖文

（洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039）

一、前言

近些年来，燃气涡轮发动机技术水平不断地提升，对发动机主轴承运转速度提出了越来越高的要求。发动机轴承材料断裂韧性不佳或者主轴承元件在高速下存在较大的内应力，都可能导致元件在严重剥落以前，其材料内部缺陷快速扩大，从而使其裂纹尺寸超过临界裂纹尺寸，导致轴承发生快速断裂。依据高DN值轴承引力强度因子设计以及容许裂纹设计准则，能够有效地防止发动机轴承快速断裂。

二、航空发动机主轴承断裂机理分析

航空发动机主轴承的运转速度在不断地提高，而伴随着其速度的不断提升，轴承断裂的机率也就大大提升。航空发动机为了保证轴承在高DN值、高温和高负荷下工作，解决轴承套圈快速断裂问题，必须从断裂力学角度出发，发展轴承新材料，采用新的工程方法设计高DN值下的轴承损伤容限，相关研究发现，高DN值下轴承内圈上会形成比较大的周向应力，如此一来，就使得内圈应力水平远远超过外圈，因此，大部分情况下的轴承断裂都是由内圈引发的。[1]近些年来，我国航空发动机频频出现故障，引起了轴承生产厂家以及发发动机研发制造单位的高度关注，在设计方面和材料方面都做出了积极的尝试和努力。在发动机主轴轴承的材料方面，采用工具钢类的新材料，提高材料断裂韧性；在轴承设计方面，通过一系列的机理分析及验证研究，编排出一系列的轴承设计分析程序。航空发动机轴承材料的断裂韧性以及疲劳裂纹扩展率，对于研究断裂问题有十分重要的参考意义。在发动机轴承的实际应用中，其材料不可避免地存在一些缺陷问题，例如微裂纹，气泡等，而这些原始缺陷的存在，对轴承的性能造成了不良的影响，导致材料组织的连续性均匀性被破坏，使轴承材料断裂韧性不佳，导致其机械强度降低。在实际应用当中，这些原始缺陷在机件承受的作用力下进一步扩大，当裂纹深度扩展到一定程度时，便会导致轴承断裂。通过改变热处理方式来提高轴承材料断裂韧性具有比较重要的应用意义。[2]现阶段我国航空发动机轴承所使用的材料很大程度上限制了轴承DN值的提升，因此对轴承材料的断裂韧性要求比较高，必须对当前所使用的轴承材料进行热处理工艺改进，以优化断裂韧性性能。

三、高DN值轴承损伤容限设计准则

（一）高DN值轴承应力强度因子设计准则

高颠子轴承应力强度因子设计准则适用于航空发动机轴承临近使用寿命或者其应力水平比较高的情况。元件的应力水平在高DN值情况下会显著增加。我国现役发动机在使用期内，不对发动机主轴承进行检测，当发动机轴承元件应力水平趋于临界应力强度时，会使得轴承材料原始缺陷扩展加速，裂纹扩大导致在严重剥落之前发生快速断裂，从而导致巨大灾难事故的发生。

高DN值轴承应力强度因子设计准则：确定材料裂纹尺寸，计算应力值，从而求出裂纹形状参数，再由相关公式计算应力强度因子，必须使平面应变应力强度因子小于平面应变断裂韧性。受高DN值的限制，即使采用应力强度因子设计准则，使得应力强度因子值尽可能降低，但依然无法有效地防止轴承快速断裂。[3]更有效的方法是使轴承材料具有高断裂韧性。但应该注意的是，采用具有高断裂韧性的发动机轴承材料，其具有的其他性能也必须满足现役发动机的需要。

（二）高DN值轴承容许裂纹设计准则

高DN值轴承容许裂纹设计准则适用于当发动机轴承材料的工作应力水平比较低，其屈服强度值及极限抗拉强度比较高时，此时的轴承寿命裕度比较高。运用这一准则，首先要对轴承裂纹进行有效的分析，具体成因：首先，轴承存在一定滑动。其次，内圈在轴上出现滚动；第三，不当的润滑；第四，与轴配合非常紧；第五，存在槽轴；第六，轴承规格不够圆；第七，与周围部件存在摩擦。面对这些问题，具体解决方案：首先，可以利用增加添加剂或者提高油量来完成润滑的改善；其次，面对轴承实施适当的配合选择；第三，避免轴承存在过度摩擦的情况；第四，为轴承提供比较良好的底座条件；第五，考虑对内圈实施特殊性热处理。准确计算出临界裂纹尺寸，KI(应力强度因子)＞=KIC(断裂韧性——临界应力强度因子），由于KI属于名义应力(Stress)以及裂纹长度（a)的函数,比如：Y(系数）X (Stress）X (a)^(1/2)，当给定名义应力值，如等于屈服强度时，即可以计算出临界裂纹尺寸（a_max ＜=K_Ic/(Y X Stress)。所谓的临界裂纹尺寸，就是在一定的运转应力下导致轴承快速断裂的裂纹尺寸，计算临界裂纹尺寸，对于分析发动机轴承快速断裂、制定预防措施具有重要意义。[4]在高DN值情况下，轴承材料本身存在的极小裂纹，会因为疲劳而迅速扩展，在剥落之前就达到临界裂纹尺寸，将增加事故发生风险。因此必须要设计出容许裂纹尺寸，根据发动机轴承的维修要求、使用条件以及具体性能来进行计算，从而将轴承裂纹可扩大的范围控制在容许裂纹尺寸以下，减少航空发动机轴承断裂的风险。

四、结束语

航空发动机轴承套圈出现的裂纹是由于周向拉应力过大而产生的，因此通过合理的设计，能够将外圈应力控制在可防止轴承快速断裂的范围，如何控制作用在内圈的离心力是发动机转速增加时所重点考虑的问题。本文对两个高DN值情况下的轴承损伤容限设计进行了探讨分析，以期给相关研究提供参考。但应该注意的是，这两个准则并不是完美的，其依然有待于在实践应用当中不断完善。