【轴承知识】为什么千万不要去设计航空发动机轴承？

为什么千万不要去设计航空发动机轴承（上）

如果你是一个正在准备入职航空发动机设计所的职场新人，设计所的各个部门都在向你招手，请问你会心仪哪一处呢？

当然了，这肯定会牵扯到你在大学里学习的专业，你的兴趣，你的爱好，你的能力等等，但是听我一句劝，千万别去轴承设计部门，不然未来可有你受的。

轴承，航空发动机里的关键零件

轴承可能各位朋友都见过，最常见的轴承大概就是下面的这个样子，一般包括内环（内圈）、外环（外圈）、滚珠/滚棒（滚珠为球状，滚棒为棒状，可以统称为滚子）、保持架等结构组成。世界上比较著名的轴承生产制造商有瑞典的SKF公司和德国的FAG公司，而中国比较著名的轴承生产商则包括哈轴和洛轴等。

那么航空发动机里面为什么会用到轴承这个零件呢？首先，我们要知道轴承的功能是什么，轴承的功能用专业术语来讲，就是在不约束物体特定某个方向上的旋转自由度的同时，还能够控制两个物体之间的位置关系，说人话就是：让一个物体在我需要他转动的地方老老实实地转动，而不是转着转着就不知道转到哪里去了。所以你看轴承的内圈和外圈之间实际上是可以自由转动的，但是如果你想让内圈上下左右平移却根本无法做到，这就是轴承中的“动”与“不动”。而航空发动机里面有一个转动的大部件，叫做转子，这些转子的转速很高，往往会达到一两万转每分钟，但是发动机本身是不转的，所以航空发动机的一部分要转，一部分不转，这两个部分之间就一定要有一个交界面，这个交界面就是轴承。

换言之，我们需要一个部件来牢牢地攥住高速转动的转子，既要让他正常旋转，又不能让它飞走，这个部件就是轴承。

轴承到底是怎么工作的？为了要搞清楚航空发动机的轴承有多难设计，我们先不去说航空发动机有多高的转速、多么恶劣的工作环境，我们先要了解一件事情：轴承到底是怎么工作的？普通人理解的轴承工作过程应该跟下面这个图差不多：

就是很多个滚子支撑着外环，外环转起来，就带动着所有的滚子开始转动——也就是说所有的滚子都会滚动在内外环的相对运动下转动起来，所以他们都是均匀受力，而且整个轴承都会运转地严丝合缝。但是事情真的是这样吗？显然不是。比如说我们用汽车举例。汽车的车轴上也会使用轴承，但是显然，四个车轮不仅需要转动，还需要承载整个汽车的重量，所以承载车轴的轴承还会受到一个竖直方向上的力，而在这个竖直方向的力的作用下，轴承的受力远远不是上面这张动图里面那么地简单明了。

我们看看下面这张图，是轴承在真实工作状态下的受力，可以发现，因为轴承承载的物体往往会受到竖直方向上的力，所以每个滚子受到的力并非是均匀的。

而且在很多情况下，由于轴承需要允许滚子的受热膨胀，因此内环、滚子还有外环，三样东西并不是仅仅贴在一起的，而是在彼此之间留有一定的空隙，在竖直方向的力的作用下，很有可能轴承一圈数十个滚子，真正接触的只有几个。比如说下图中，只有三四个滚子被内外环压紧，所以轴承内外环之间的相对转动，只会带动这四个滚子滚动起来。

那么其他滚子呢？难道就在那儿罢工不动了？我们只要打开轴承，就会发现往往滚子并不是一个挨一个地挤在内环和外环之间，而是又类似于豌豆荚一样的东西包裹着滚子，我们可以通过下面两张图，分辨出来带保持架和不带保持架的滚子分别是什么样的。

而所有滚子一起运动的场景应该是这样的：内环和外环只压紧了三五个滚子，带动这几个滚子开始转动，并且撞击保持架，使保持架转动起来，转动起来的保持架又去撞击其他滚子，最后才一起运动起来。

另外，对于某些滚棒轴承而言，保持架并不是会乖乖地呆在内外环之间，而是有可能上下浮动，所以保持架还有可能跟轴承内外环发生碰撞。

所以轴承工作起来简单说就是一个字：“乱”：你压我，我撞你，你撞他，他还撞他，几十个零件就是在这小小的空间里面上演全武行，并且这可是在每秒钟几百转的极高转速下互相撞击，所以轴承的困难之处就源于此。

下回我们接着继续

好了，本期我们只是开了一个头，只是简单说了说轴承的结构还有它的运动状态，实际上，轴承中的问题远比普通人想象得多得多，那么轴承到底难设计在哪儿？为什么我要说千万不要去设计航空发动机轴承呢？

别着急，下期我们接着聊。为什么千万不要去设计航空发动机轴承（下）上期说到，在高速旋转的工作状态下，只有少数几个滚子吃着力，并且在轴承的方寸之地中，滚子、保持架、内外环之间各种乱碰乱撞，那么如此混乱的场景中，到底隐藏着什么巨大隐患呢？

轴承坏掉的100种方法

其实在了解了轴承内部的运转状态之后，就很容易理解轴承会怎么坏掉了。

首先，轴承中的滚子并不会均匀受力，而是由少数几个滚子承受绝大部分的力，这就导致轴承滚子受到的力很大，同时我们还应该注意到，滚子实际上是圆球或者圆柱体，这些滚子与滚道之间的接触面积非常小，所以会在材料内部形成很大的应力，这些应力时不时地就会给轴承造成很大的麻烦。

比如说过大的应力反复碾压在滚道上，就有可能会造成轴承滚道上出现点蚀或者剥落的现象，这些现象虽然不会造成轴承彻底损坏，但是会让丝滑滚动的轴承变得坑坑洼洼，从而引起机械装置的异常。

而应力如果再大，就有可能导致内外环整个开裂，从而让机械装置完全不能运转。

而除了过大应力产生的碾压，刚刚说到的滚子和保持架之间的撞击、保持架和滚道之间的撞击还会引起保持架的振动。别看这些撞击的力都不算大，但是积累起来却还是能够让保持架产生裂纹，直至碎裂。

另外，轴承振动起来之后，这些异常的振动会向外在航空发动机里蔓延，从而导致其他零件的振动破坏。

而且在航空发动机里，由于转子高速转动产生过程中对轴承产生的力方向会变来变去，所以在变化过程中还有可能造成轴承滚子的打滑问题，这个过程就好像汽车行驶过程中忽然轮胎抱死一样，不仅会造成滚道的剧烈磨损，滚子对保持架的撕扯，甚至于摩擦产生的巨大热量会造成轴承整体的爆裂。

总之，由于轴承经受的巨大载荷和复杂的运动状态，造成轴承的损伤是多种多样的，因此轴承如何安全运转一直是各种旋转机械中最令人头疼的问题。而航空发动机中的轴承破坏还有一些特殊之处需要细细讲来。

航空发动机中的轴承为什么尤其难

为什么说航空发动机中的轴承设计起来尤其难呢？

有的朋友可能第一反应就是：因为航空发动机转速高，所以轴承难设计。这个说法有道理，因为对于比较大的航空发动机，转子工作转速在10000-20000转/分钟之间，对于小一些的航空发动机，这个转速甚至于可以接近40000转/分钟，也许大家没有直观的体验，但是我们平时见到的电扇转速大概是600转/每分钟左右，只有航空发动机转子转速的1.5%，所以在如此高的转速下，轴承的工作环境自然很恶劣。

但是航空发动机的轴承可不止这一个困难。

第一，温度是一个大问题。

某些航空发动机中的轴承必须要距离发动机的燃烧室很近，会有大量的热量传导到轴承位置，再加上航空发动机中的空间比较局促，冷却润滑并非易事，所以航空发动机的轴承工作温度会比其他机械中的轴承高很多，这就对轴承本身的材料提出了一些要求。另外，温度提高之后轴承材料会发生膨胀，如果设计的不好，就有可能导致轴承出现较大的热应力，带来轴承的破坏。

第二，航空发动机对轴承的振动更加敏感。

航空发动机因为要减重，所以大量的零件是越做越薄，而越来越薄的零件最大的问题就是对振动非常敏感，稍有不慎就会产生振动破坏。而轴承中无时无刻不在发生的碰撞就有可能产生较大的振动能量，引起航空发动机其他零件的破坏。

第三，也是最重要的，航空发动机是一种工况变化很大的机械。

航空发动机是安装在飞机上的，飞机需要起飞、着陆、机动，所以对于航空发动机而言，在不同工况下，其转子转速、涡轮前温度还有转子变形都会有很大的变化。而在变化的过程中，轴承的运转不是单调的内环或者外环安稳地转动，而是前后上下左右地乱动，这也同样是极大的隐患。

航发轴承面临的不仅仅是技术问题

说航空发动机轴承难，实际上还不仅仅是技术问题。

航空发动机中的轴承作为连接转动件和非转动件之间的“交界面”，可以说是两头受气。转子设计的不好，振动过大，结果转子没事儿，先把轴承振坏了；静子设计的不好，振动能量没有能够妥善消除，结果又是轴承倒霉。

总之，发动机任何部件设计的不好，都有可能引起发动机中的连锁反应，而轴承作为整个发动机中的薄弱点，往往是最先遭殃的，所以表现出来就是：航空发动机老是会出现轴承损坏的故障。

然后故障一出，明明故障的根源在于转子或者静子设计，但这些部件的设计部门什么事情没有，就只有轴承设计部门自己反思，真的是哭死这些员工了。

实际上，航空发动机作为一个整体，其中的任何故障往往都是多个系统之间发生的连锁反应，如果每次只是头疼医头，脚疼医脚，轴承坏了就都是轴承设计的不好，那自然是治标不治本。轴承本来就已经很难了，却还要承受“不该承受之痛”，这就绝对不仅仅是技术问题了。