近日传出一个振奋人心的好消息，我国航空发动机主轴承寿命突破5万小时，实现重大突破！
涡扇10发动机
众所周知，航空发动机对一个国家的重要性，航空发动机的先进水平在一定程度上代表了一个国家高端装备的研发制造能力，而只有性能优良的航空发动机少数国家具备研发能力。一份数据显示，过去50年，美国仅在航空发展预研资金上的投入就超过1000亿美元。与西方国家相比，我国在这一领域起步较晚，但发展速度一点也不慢。本文将从以下两个问题进行分析：第一，航空发动机轴承设计为什么难；二是我国在航空发动机主轴承领域取得新突破。
01航发轴承为什么难设计（温度问题）
轴承是机械行业非常重要的部件，尤其是发动机。在约束物体在一定方向上的自由度的同时，还可以控制两个物体之间的相对位置关系。在说主轴承之前，我们先介绍一下它在航空发动机中的大概位置。主轴承靠近燃烧室。发动机在工作过程中会产生大量的热量，这些热量会传递给轴承，而且与汽车发动机相比，航空发动机的转速更高，产生的热量也更多，这意味着轴承也会承受更多的热量，因此温度成为首要问题。
航空发动机轴承
以涡轮发动机为例，其燃烧室的温度约为1500度。材料的选择成为一个非常关键的问题。长期以来，我国受限于结构力学和材料科学，没有解决这个问题。一般来说，轴承外圈采用AISIM50材料，内圈采用AISIM50NiL材料，因为这两种材料性能更好。发动机工作时，除了高温外，轴承内圈还需要承受较大的离心力。另外，当温度升高时，轴承材料会膨胀，这也是不得不考虑的问题。
AISIM50航空发动机用高温轴承钢
02航空发动机轴承为什么设计难（轴承振动问题）
航空发动机性能测量有一个技术指标，就是推力-to-weightratio，表示发动机推力与自身重量的比值越大，推力越强，可以为战斗机提供足够的动能。从这个角度来看，发动机本身的重量越轻，能够提供的推重比就越高。在设计发动机时，其重量是一个重要的考虑因素。设计尽可能薄。这种设计有优点也有缺点。好处是减轻了自身的重量。缺点是零件越薄，对振动越敏感，振动对零件性能的损害也会随之而来。
德国FAG轴承
轴承在运转时，在其平衡位置发生有规律的往复运动，再加上轴承工作过程中发生的碰撞现象，产生振动。发动机内部其他零件的损坏将对发动机的寿命和安全产生很大的影响。因此，发动机研制成功后，将进行大量的整机振动实验，全面检验其性能。当然，这种振动是无法避免的，只能采用一些方法来缓解，比如降低轴承配合件的形状公差，这就意味着在零件加工过程中必须严格执行公差标准，还需要高精度的车床，铣床。
03轴承为什么难设计（工况千差万别）
相对于汽车发动机，航空发动机的工况千差万别。你为什么这么说？以汽车为例，其工作环境主要是平坦的，而飞行器则不同。飞机必须起飞、飞行和降落。此外，战斗机还要完成高难度动作，工作条件变化很大。以航空发动机的转子为例，在战机的不同工况下，转子会发生变形，转速也会发生变化。与稳定工作状态不同的是，轴承不再是单调的外圈或平稳转动的内圈，而是不规则的“扰动”，这对轴承本身和发动机都有很大的潜在问题。
轴承受力
在实际工况中，轴承内滚子受力杂乱无章，在高温作用下，滚子会因受热膨胀。例如，轴承中有几十个滚子，而真正受力的滚轮可能只有少数几个，这将对其强度和稳定性造成更大程度的破坏。轴承完成后，将进行一系列的测试，如极限转速、振动值、硬度等。作为轴承，它是最关键的部件，也是最脆弱的部件，所以当发动机出现问题的时候，很有可能轴承首先出现问题，可见发动机轴承的重要性。一般来说，轴承的寿命在一定程度上决定了航空发动机的寿命。
04我国航空发动机主轴承寿命有新的重大突破
先来看一组数据对比，美国的F119-PW-100发动机的使用寿命至少8000小时，中国的turbofan-10C发动机电池的使用寿命约为3000小时，不得不承认这是一个很大的差距。不过近日传出一则好消息，我国自主研制的航空发动机主轴承抗疲劳寿命试验已突破5万小时，目前试验仍在进行中。据相关资料显示，美国的主轴承寿命只有2万小时。这意味着我国在该领域实现了真正的技术壁垒。
F119发动机
有人要问了，难不难连续测试了近6年？并非如此，对于此类部件的测试，采用加速测试，然后换算成正常时间下的使用寿命。我国之所以在该领域取得如此成就，归根结底还是抗疲劳制造技术的突破。零件在制造过程中，内部会产生残余应力，残余应力是零件变形甚至开裂的重要原因。这也是零件在机械加工的特殊过程中要进行去应力的原因，而抗疲劳技术是指改变材料的应力分布，以提高零件的疲劳寿命。这项技术也被认为是“中国制造2025的必由之路”。因为抗疲劳制造技术的应用范围很广，不仅仅是轴承，这项技术几乎涵盖了整个制造业，所以我国在这一领域的突破意义重大。
3D打印抗疲劳高性能材料——镍钛合金
以俄罗斯AL-31F发动机为例，其主轴承存在致命缺陷。当然，这款发动机也已经用在了我国的歼10战机上，对于航发的主轴承来说，在使用过程中肯定不会出现裂纹，而AL-31F发动机就出现过这种情况。不仅如此，AL-31系列发动机在使用过程中经常出现裂纹。轴润滑压力过低的故障，导致发动机转速低。从主轴承的使用寿命来看，我国目前能够生产出使用寿命在5万小时以上的发动机，这几乎相当于飞机本身的使用寿命。
AL-31F发动机
过去几十年，我国的抗疲劳技术发展比较缓慢，其他国家也对我们进行技术封锁，成为关键的瓶颈问题，即使相关的卖给我们的产品，在这方面也做了相应的处理。以德国的高铁齿轮箱为例，使用寿命是2400万公里，卖给我们的只有240万公里，只有十分之一左右。但办法总比困难多。在相关科研人员的不断努力下，我国用了十几年的时间成功突破了这项技术。现在，在这个技术领域，我们已经有了自己的核心实力和话语权。
05结语
国产航空发动机一直是我们的痛点，这也是很多人认为我国的歼20综合性能不如F-22战机的原因，但是自从外观涡扇10系列发动机，我们中国国产航空发动机技术在超车时已经发展起来，现在我们在航空发动机主轴承领域取得了技术突破。如果未来这项技术成功应用在涡扇15发动机上，我国航空发动机将再次迎来跨越式发展。
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