欢迎登机

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SKF航空工程师正与SKF客户携手合作,开发面向当前和未来的创新技术。

作者:
SKF航空业务全球应用和产品设计经理Gregory A Zimmerman,SKF航空北美公司,美国纽约州Falconer

航空航天 圆柱滚子轴承

概要

自莱特兄弟在1903年首次驾驶重于空气且机器驱动的飞机完成机动飞行,100多年来航空业不断取得一个又一个的技术突破。SKF航空航天业务一直是创新技术的领头羊,致力于推动航空工业发展,公司将继续与客户携手协作,确保战胜未来的挑战。

实践证明,航空业的过去十年是其历史上最令人激动、最具活力和最具创新的时期。创纪录的商业订单、新的政府和环境规定、无法预估的燃料价格变动和全球冲突,只是航空业重大驱动因素中的几个,这些驱动因素促进了新平台和新技术应用的空前问世。SKF航空部门全球各地的技术团队正与SKF客户携手合作,确保战胜今天和明天的挑战。

速度和可靠性的竞赛
航空探索的历史已经有2,000多年,从风筝和高塔跳下尝试等最早的航空方式,发展到比空气重的、动力驱动的飞机以超音速和高超音速飞行。早在莱特兄弟在小鹰镇实现著名的首次飞行之前,著名发明家,如达芬奇、约翰·斯特林和劳伦斯·哈格雷夫就提出了关于一些新奇飞行器飞行方式的奇思妙想。滑翔机试验为重于空气的飞机奠定了基础,到20世纪初期,工程技术和空气动力学的发展使得受控的、动力驱动的飞行首次成为可能。

1903年12月17日上午10点35分,莱特兄弟(其中奥维尔·莱特控制飞机)实现了首次重于空气的、动力驱动的飞行。此次飞行持续了12秒,飞行距离为36.5米(图1)。1909年起,人们开始建造尾部独具特色的现代飞机。飞机的历史从此就与越来越强劲的发动机的研发密
切相关。

图1:1903年12月17日,莱特兄弟完成首次机动飞行。

图1:1903年12月17日,莱特兄弟完成首次机动飞行。

在20世纪40至60年代之间,飞机速度增加了四倍,速度更快的设想已经进入设计阶段。这些设想今天已经成为现实,并获得超音速飞行的潜在研究成果。1907年,航空先驱Glenn Curtiss创造了世界速度记录(220 km/h),但他不是用飞机创造的,而是用摩托车(图2)。

图2:1907年Glenn Curtiss用摩托车创造220公里/小时的世界速度记录。

图2:1907年Glenn Curtiss用摩托车创造220公里/小时的世界速度记录。

在六年后的1913年,首批专为飞机设计的发动机之一,14缸117千瓦(160马力)的Gnome转子发动机,被安装在法国人Louis Béchereau设计的木制飞机上,使其以200公里/小时的平均速度赢得当年的戈登·贝纳特航空奖杯。

第一次世界大战后,全球各国对军事技术的迫切要求推动了速度竞赛,同时首个侧重安全的航空业标准出台,为商业航空旅行发展提供了指引。

洛克希德马丁公司的SR-71侦察机“黑鸟”的问世是飞行和速度发展史上的一个重要里程碑事件(图3)。1976年,它打破世界飞行速度和高度纪录,在25,929米高空实现3,529.6公里/小时速度,该纪录一直保持至今。

图3:洛克希德马丁的SR-71“黑鸟”保持着世界飞行速度记录,该纪录是在1976年创造的3,529.6公里/小时。

图3:洛克希德马丁的SR-71“黑鸟”保持着世界飞行速度记录,该纪录是在1976年创造的3,529.6公里/小时。

SR-71侦察机定期以三马赫以上速度执行飞行任务,能够在24公里的高空每小时勘察地表25万平方公里范围的区域。这种极端的运转条件能让它安全地避开战斗机或导弹的拦截,但也迫使两人的机组必须穿上与宇航员类似的服装,以避免机舱失压发生危险。

发动机 —— 简介
动力装置是上述飞机背后的关键所在。过去驱动飞机的方式独特且多样,但今天商业飞行最常用的动力装置是涡轮风扇发动机(图5), 由涡轮喷气发动机发展而来。

涡轮喷气发动机是一种燃气轮机,进气口和压气机(轴流式或离心式或二者兼有)压缩吸入的空气,再把压缩空气与燃料混合,混合气体在燃烧器中燃烧,最后高温、高压燃气经过涡轮及通过喷嘴喷出。压气机由涡轮提供动力,涡轮的动力来自高温膨胀的燃气。发动机把燃料的热能转换成排气的动能,从而产生推力。进气口吸入的所有空气都经过压气机、燃烧室和涡轮。涡轮喷气发动机是一种燃气轮机,燃烧温度越高,气体膨胀程度越大。

涡轮风扇发动机安装的风扇将部分吸入的空气通过外涵道排出,而不是进入内涵道,外涵道与内涵道空气流量的比值称为涵道比。涡轮风扇发动机的主要优点是可显著降低油耗和噪音水平。一些最新涡轮风扇发动机的涵道比高达12:1。

图5:涡轮风扇发动机原理。

图5:涡轮风扇发动机原理。

SKF航空航天部门
SKF航空航天团队拥有超过2,500名雇员,是世界上最大的服务于航空发动机市场的轴承制造商之一。SKF是航空发动机、飞机机体和弹性轴承、复合材料解决方案、密封单元和相关技术的领先者。SKF致力
于为飞机制造商提供多种创新解决方案,以满足众多客户需求,从而推动航空和航天工业的发展。这是SKF勇往直前的动力。

北美
美国SKF航空航天部门于1940年开始运营;SKF收购了宾夕法尼亚州费城的一家航空轴承厂。为满足对飞机轴承的不断增长的需求,SKF在1986年收购了MRC,MRC是美国天合汽车集团(TRW)位于纽约州福尔科纳市(Falconer)的分部(图6)。对MRC的收购包括位于康涅狄格州温斯特市(Winsted)的一家精密球轴承厂。SKF最终关闭了费城的航空轴承厂,把部分生产转移到MRC。1990年,SKF收购了位于伊利诺伊州埃尔金市(Elgin)的ChicagoRawhide,就是现在的SKF密封解决方案分部。今天航空密封件和运动控制产品在该地生产。

图6:位于美国纽约州Falconer的SKF航空发动机北美公司。

图6:位于美国纽约州Falconer的SKF航空发动机北美公司。

2000年,SKF在美国南卡罗来纳州查尔斯顿市成立了航空轴承服务中心(Aero Bearing Service Center,简称ABSC)。ABSC专门从事飞机发动机轴承的检查和维修服务。2007年,SKF与美国通用飞机发动机集团(GEAE, General Electric Aircraft Engines)成立合资公司,并在南卡罗来纳州拉德森建立生产工厂。2013年,SKF收购Kaydon Corporation,其为包括航空在内的所有行业生产产品。Kaydon的航空航天产品包括石墨密封和密封环;石墨密封主要用于航空发动机主轴上。航空发动机用密封用于主轴轴承室和润滑油室,以提高运转的效率和环境可持续性。

欧洲
欧洲SKF航空航天部门在位于英格兰North Somerset的Clevedon设立了第一家欧洲公司,它以前的名字是AMPEP航空航天。该企业成立于1963年,后来被SKF子公司SARMA收购。2005年,AMPEP成为SKF(英国)Clevedon航空航天有限公司。Clevedon专为航空和工业应用设计和制造自润滑聚四氟乙烯/玻璃纤维衬垫轴承。这些轴承广泛用于固定翼飞机和直升机上,主要用在飞控装置上。1966年,SKF收购了位于意大利Villar Perosa的RIV轴承厂。该厂为航空发动机的动力装置、传动装置和其它特殊应用生产定制轴承及解决方案。1971年,SKF在法国Lons-le-Saunier建设了一座工厂。2005年,Clevedon获得位于英格兰Gloucestershire的Stonehouse工厂100%的管理权,该厂生产轴承的历史达到90年,是全球航空公司的主要供应商。2006年,SKF收购了领先的高精密轴承公司SNFA,该公司成立于1952年,位于法国Valenciennes。该公司为航空、航天和特殊应用设计和生产高精密轴承。2013年,欧洲航空技术中心在法国瓦朗斯市设立。这个中心雇佣高素质的工程技术人员开发先进产品,配有世界级的航空解决方案测试设施。

航空轴承钢的发展
过去,航空业不断推动许多技术取得突破,轴承是实现这些成就的一个重要部件。材料和热加工工艺的进步(锻造、热处理等)对发动机主轴和齿轮箱轴承至关重要。这是过去和现在主要的关注领域(图7)。

图7:材料、热处理和制造技术的进步,一直是主轴发动机轴承发展的关键因素,包括性能提升和应用集成结构能力的提升。

图7:材料、热处理和制造技术的进步,一直是主轴发动机轴承发展的关键因素,包括性能提升和应用集成结构能力的提升。

随着发动机开始专门针对飞机而设计,部件也是如此。从20世纪30年代到50年代,按今天标准看成分很差但可靠性还可接受的“脏”轴承钢(早期的52100)是当时重要的解决方案。政府在供应链上发挥越来越大的推动作用,通过诸如《1944年首个全球航空标准 —— 芝加哥会议》等行业标准,对关键材料制定了最低要求。军用飞机率先要求发动机和齿轮箱OEM控制并冻结轴承设计和加工方案,从而提升了可靠性并降低了风险。在60年代,首个专门为航空发动机轴承开发的钢材M50问世,它的出现意味着钢材的性能不再是高温运转的限制因素。

但润滑成为限制因素,现在还是如此。早期52100的寿命得到了延长,温度极限也获得大幅提升。表面渗碳钢M50NiL取得了进步,让结构整合融入航空发动机轴承设计的同时,还能保持其他高性能的特点。表面渗碳钢的接触表面具有更高的残余应力,能有效抵抗滚动接触疲劳。而其内核“更软”、更具弹性的特性,能让设计师使用更紧的配合设计,因为工作转速不断提高以及轴承环相对轴的扩张效应,需要更紧的配合。

要在温度达到或有时超过200°C时仍保持这些优异材料性能,材料表面硬度必须保持至少为~58 HRC,以确保可靠工作。M50/M50NiL的渗氮可显著提高表面硬度(高达~70 HRC),从而提高抗污能力这一主要性能。渗氮是通过扩散工艺把氮渗入表面,形成氮层,从而提高硬度。大量对航空级钢材渗氮的实验显示,产生的微结构(如没有表面白亮层以及没有沿晶界析出)是实现该工艺全部益处的重要因素。由于渗氮时间长、费用高,该工艺现主要用于大型(轴孔大于120 mm)发动机主轴轴承(图10)。预计下一代(2030+)飞机发动机轴承的运行条件,将超过现在使用的钢轴承材料的能力(图8)。

图10:发动机主轴圆柱滚子轴承。

图10:发动机主轴圆柱滚子轴承。

图8:材料、设计和制造的进步所实现的航空主轴发动机球轴承(推力负荷)高峰运行条件趋势。

图8:材料、设计和制造的进步所实现的航空主轴发动机球轴承(推力负荷)高峰运行条件趋势。

实际上,这个现象正推动新兴高性能发动机设计的发展,以应用替代材料组合和表面处理工艺,进而提高现有材料的寿命和性能,包括混合轴承(钢滚道和氮化硅滚珠)和氮化M50和氮化M50NiL钢。在过去二十年探索的众多潜在候选材料中,Pyrowear®675(P675)似乎脱颖而出,因为它展示出对下一代轴承合金所期望的所有特性,包括:357°C下硬度保持~58HRC的耐高温性能,双真空融化,耐腐蚀,显著减小的表面残余压应力,低残余奥氏体,细小晶粒尺寸渗碳表面,以及平衡的大型碳化物耐磨性而不降低RCF寿命。P675是由Carpenter Technology Corporation开发的高强度、渗碳级马氏体不锈钢。

拥抱未来
50年前,《航空周》杂志登出广告介绍“新”波音737,当时该机已经获得15家航空公司的124个订单。这标志着世界上首个喷气式飞机家族的诞生。该机具有通用性,比波音707和727飞行距离更长,并且采用了当时新颖的每排六座布局。飞机在1967年4月9日首飞,首架737-100的使用者是德国汉莎航空公司。今天波音737继续创造新的纪录,总订单量超过13,000架,交付逾9,000架。737 MAX目前正在进行飞行测试,装配CFM LEAP发动机,作为唯一的发动机解决方案(图9)。 CFM国际公司是美国GE航空和法国斯奈克玛50-50的合资公司。

图9:LEAP发动机。

图9:LEAP发动机。

LEAP是下一代飞机发动机,其设计和开发专注降低油耗、排放和噪音水平。LEAP的多种产品将装备波音737 MAX、空客A320neo和中国商飞C919。

CFM LEAP家族是下一代单通道飞机的发动机选择的典范(图9)。LEAP-1A是空客A320neo的选择;LEAP-1B是波音737 MAX的发动机,LEAP-1C是中国商飞C919的独家西方发动机。这些发动机已经获得全球50多个用户的订单。

SKF与CFM国际有着长久的业务关系。在LEAP发动机的开发全程中,SKF为主轴和附件齿轮箱轴承的制造技术、设计和测试做出了巨大贡献。为LEAP发动机项目开发的陶瓷混合主轴轴承,将帮助制造出更轻、更安静、更省油的飞机发动机,它的碳排放量比前身CFM56最多可减少16%。“参与行业中最富盛名的发动机开发项目之一 ,对SKF来讲是令人激动的机会,”SKF航空航天总监Rutger Barrdahl说,“它也是对SKF采取合作方式进行技术开发以支持行业减排重点工作的认可。”

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