某发动机主轴镀膜球轴承性能试验

刘文龙，刘鲁，杨宇

(中国航空发动机集团 沈阳发动机研究所 航空发动机动力传输重点实验室，沈阳 110015)

钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜能够起到减摩、耐磨的作用[1]，可提高轴承寿命和可靠性，近年来已逐步应用于航空发动机主轴轴承。

为了确保W-DLC镀膜能够适应航空发动机主轴轴承dn值高，载荷大，温度高等恶劣工况[2]，已经开展了很多试验研究，试验后轴承及薄膜情况均较为良好[3]。但目前针对W-DLC镀膜球轴承的研究试验相对较少，主要是由于钢球的W-DLC镀膜工艺更加复杂[4]。鉴于此，现以某型发动机三点角接触球轴承为例，采用表面PVD镀膜技术对轴承沟道及钢球进行W-DLC镀膜[5]，并开展轴承性能试验研究，探讨W-DLC薄膜在航空发动机主轴球轴承的适用性及未来研究方向。

1 试验

1.1 试样

试验轴承采用某型发动机用双半内圈三点角接触球轴承，材料为M50，轴承主要参数见表1，镀膜参数见表2。其中，外圈挡边镀TiN是为了增加轴承的耐磨性。为对比镀膜后轴承的实际应用效果，增加1套无镀膜的三点角接触球轴承进行对比试验。

表2 轴承镀膜参数

1.2 试验设备

试验在某型发动机高温轴承试验机上进行，其结构如图1所示。该试验机能够同时安装2套试验轴承，可承受大小相等的轴向载荷，适合开展对比试验。

1—加载头；2，3—试验轴承；4—承力壳体；5，6—支承轴承

1.3 试验条件及方法

试验轴承采用环下供油及喷射供油的联合供油方式，总供油量为10.0～11.3 L/min，供油温度参考发动机常用水平及试验机温度控制能力，要求为70～120 ℃。内圈与轴过盈配合要求为-0.062～-0.027 mm，外圈与轴承座配合要求为-0.024～+0.016 mm，均与发动机保持一致。

本试验属于验证性、对比性试验，各工况条件均与某型发动机三支点主轴轴承考核试验要求一致。试验分为磨合试验和正式试验，二者除工况谱不同外，轴承润滑、安装等保持一致。磨合试验条件见表3，磨合试验主要是为了消除由于制造、装配等误差导致的密封衬套与轴间可能出现的碰磨现象。

表3 磨合试验条件

磨合过程中轴承温度、回油温度、电流、电压、振动、噪声等均无异常，磨合后对试验轴承油腔油样进行光谱分析，结果显示无异常，进入正式试验。

正式试验工况谱(1个循环)如图2所示，其中(50 kN，1.00)状态点运行时间为15 min，其余均为2 min，(10 kN，0.72)为程序起点，1.00相对转速对应物理转速14 675 r/min；轴承径向载荷始终为2 900 N。正式试验过程中监测供油温度、回油温度、轴承(外圈)温度、电主轴电流等数据。

图2 正式试验载荷图谱

2 结果与分析

试验完成20个工况谱后，发现试验机存在振动增大的趋势，拆下轴承进行检查，并检查镀膜情况，发现镀膜和未镀膜试验轴承的内圈与轴之间均出现了相对运动的痕迹，但轴承未失效。

对试验轴承进一步检查后发现镀膜轴承内、外圈沟道接触轨迹以及钢球表面W-DLC涂层已经发生明显脱落，脱落部位形貌如图3所示，图中深色部分为W-DLC镀膜区域，浅亮色部分为镀膜已脱落区域，外圈挡边TiN涂层无明显变化。

图3 轴承零件脱落形貌

W-DLC薄膜为3层结构，底层为CrN层，中间为柱状CrCN层，表面为掺杂W的DLC层。对脱落部位进行成分分析，结果见表4。由表可知，薄膜脱落部位相比于镀膜部位的W元素含量明显下降，但相比于轴承基体材料，Cr元素含量仍较高，因此可以判断是表面掺杂W的DLC镀层脱落。

表4 不同位置轴承材料成分

由于钢球与套圈为点接触，球轴承接触应力明显高于滚子轴承，应是其薄膜脱落的主要原因。经计算，试验轴承内圈最大接触应力超过2 200 MPa，外圈最大接触应力超过2 000 MPa，高于航空发动机主轴滚子轴承的接触应力水平(一般不超过1 800 MPa)。

某循环过程中润滑油回油温度及轴承外圈温度如图4所示。由图可知，相同供油温度下，镀膜轴承与未镀膜轴承的回油温度相差不大，未镀膜轴承外圈温度比镀膜轴承高15 ℃左右。考虑到2种轴承的供油量和供油温度基本一致，但工作中镀膜轴承温度更低，因此镀膜轴承的发热量更小，主要是由于钢球与套圈的M50基体经过W-DLC镀膜后，干摩擦因数由0.70下降至0.15，接触载荷相同时，镀膜轴承的摩擦发热量更小，摩擦接触区向外圈的热传递更少，外圈温升较小。此外，镀膜轴承虽然发生薄膜脱落，但在短时间内并未导致镀膜轴承出现剥落、断裂等失效性故障。

图4 轴承回油温度和轴承温度曲线

本试验为验证性试验，考虑到试验成本等问题，试样发生镀膜脱落后并未继续进行试验，因此试验结果具有一定的随机性。考虑到该轴承在发动机上工作时，由于机动过载等情况可能导致其受载更大，可以判断其镀膜可靠性一般，存在一定脱落风险。

3 结论

1)试验后镀膜轴承套圈工作区和钢球表面均出现W-DLC薄膜脱落现象，在高接触应力水平下镀膜的可靠性一般。

2)薄膜脱落在短时间内未导致轴承出现剥落、断裂等失效性故障。

3)镀膜轴承与未镀膜轴承的供回油温度相近，但镀膜轴承外圈温度较未镀膜轴承低15 ℃左右，其摩擦性能优于未镀膜轴承。

航空发动机主轴球轴承W-DLC镀膜技术在后续研究中要着重注意膜基结合力，尤其是表面掺杂W的DLC表层结合力与中间层之间的结合力应继续开展深入研究。