中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司總工程師 馬芳
【摘 要】 航空運輸是交通運輸碳排放中的重要組成部分，全球航空業(yè)、航空公司、制造商、零部件供應(yīng)商均在不斷提升技術(shù)，通過各種方式尋求實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。在當(dāng)前發(fā)展預(yù)期下，重新審視航空軸承尤其是航空發(fā)動機軸承面臨的影響與對策極為必要，為應(yīng)對雙碳政策在航空運輸領(lǐng)域推進(jìn)所帶來的空前機遇與挑戰(zhàn)，我國航空軸承領(lǐng)域亟待在產(chǎn)品創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新方面開展新技術(shù)與新產(chǎn)品研究，實現(xiàn)大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機配套軸承、電磁懸浮軸承等關(guān)鍵產(chǎn)品創(chuàng)新；形成新型介質(zhì)潤滑、軸承綠色制造、低碳化試驗評價等先進(jìn)應(yīng)用創(chuàng)新，構(gòu)建分階段全流程的航空軸承“碳優(yōu)化”技術(shù)發(fā)展路徑，為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)與助力清潔能源發(fā)展貢獻(xiàn)軸承力量。
【關(guān)鍵詞】 碳中和；碳達(dá)峰；航空軸承；航空發(fā)動機
0 引言
2019年12月11日，歐盟公布了《歐洲綠色協(xié)議》，設(shè)定了2050年歐洲實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的定義，碳中和是指當(dāng)一個組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過二氧化碳去除技術(shù)應(yīng)用達(dá)到平衡。碳中和已成為社會的環(huán)境管理工具，其實現(xiàn)途徑分為碳排放和碳吸收兩大類。2020年9月22日舉行的第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，習(xí)近平主席提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2020年12月12日，習(xí)主席在氣候雄心峰會進(jìn)一步承諾：到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右。實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。
在當(dāng)前的技術(shù)實踐與新能源發(fā)展趨勢之中，不論是氫能航空還是電能汽車都已成為Z為關(guān)注的焦點產(chǎn)品，而交通運輸業(yè)也正是碳排放存量與增量的Z大來源。從全球范圍看，交通運輸行業(yè)的二氧化碳排放量占人類碳排放總量的四分之一；在我國，交通運輸行業(yè)是國內(nèi)碳排放三大行業(yè)之一，當(dāng)前我國交通行業(yè)碳排放年均增速保持在5%以上，交通運輸領(lǐng)域碳排放占全國終端碳排放約10~ 15%。
交通運輸?shù)奶寂欧胖校娇者\輸是重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，2020年全球航空運輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過10億噸，約占全部人類活動碳排放的2.8%；我國航空碳排放占交通運輸中的17.67%。數(shù)年來，全球航空業(yè)、航空公司、制造商、零部件供應(yīng)商不斷提升技術(shù)，通過各種方式尋求實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。在當(dāng)前發(fā)展預(yù)期下，基于現(xiàn)有傳統(tǒng)航空技術(shù)的進(jìn)步，仍難以實現(xiàn)2050年碳排放量減少至2005年50％的目標(biāo)，迫切需要新技術(shù)甚至是顛覆性技術(shù)改變航空技術(shù)現(xiàn)狀以滿足碳排放的要求。
在這一背景下，重新審視航空軸承尤其是航空發(fā)動機軸承面臨的影響與對策極為必要，為應(yīng)對雙碳政策在航空運輸領(lǐng)域推進(jìn)所帶來的空前機遇與挑戰(zhàn)，我國航空軸承領(lǐng)域亟待在產(chǎn)品創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新方面邁出新的一步，攀登新的高峰。
1 產(chǎn)品創(chuàng)新
1.1大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承
GTF（齒輪傳動風(fēng)扇）發(fā)動機已建立了對圓錐/圓柱滾子軸承的創(chuàng)新性應(yīng)用，主要體現(xiàn)為在動力齒輪箱中采用大尺寸高性能圓錐/圓柱滾子軸承，作為構(gòu)成齒輪傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)支承和重要構(gòu)件，其中圓錐滾子軸承由于采用錐角設(shè)計，可承受較大的（單向）軸向和徑向的聯(lián)合負(fù)荷，應(yīng)用潛力更大。目前普惠PW100G齒輪風(fēng)扇發(fā)動機已投入商業(yè)運行，羅羅基于齒輪傳動的UltraFan超扇發(fā)動機即將于2022年結(jié)束驗證階段，燃油效率可較遄達(dá)700提高25%。國外主要軸承企業(yè)在齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機用圓錐滾子軸承方面已處于領(lǐng)先地位，F(xiàn)AG已經(jīng)形成了系統(tǒng)化的研究與產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，重點在圓錐滾子軸承承載能力、可靠性、高速性、低摩擦、低振動等性能指標(biāo)提升方面獲得突破，并且仍在進(jìn)行著持續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)。
此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)在于高度關(guān)注與航空動力制造商的聯(lián)合研發(fā)，開展圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)研究，建設(shè)專用大尺寸圓錐滾子軸承交付能力，重點滿足高速、可靠性高、壽命長、低摩擦等要求，形成與GTF發(fā)動機方案協(xié)同的技術(shù)路線，并預(yù)先開展配套設(shè)計、工藝、檢測、使用等方面技術(shù)研究，實現(xiàn)高性能圓錐滾子軸承的自主化研制。
1.2 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機配套軸承
開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代末，也稱?涵道風(fēng)扇發(fā)動機或槳扇發(fā)動機，其兼具渦扇發(fā)動機巡航速度高（Ma0.7～0.82）和螺旋槳發(fā)動機推進(jìn)效率高（>0.8）特點。當(dāng)前研究路線集中于采取先進(jìn)的槳扇推進(jìn)器作為產(chǎn)生拉力或推力的主體，對現(xiàn)有的渦扇發(fā)動機進(jìn)行革新，即“超涵道比風(fēng)扇”概念。先進(jìn)槳扇推進(jìn)器的應(yīng)用提出了對反向旋轉(zhuǎn)齒輪箱的需求，AVIO發(fā)展了PGB反向旋轉(zhuǎn)齒輪箱行星齒輪軸承方案，由行星齒輪單列調(diào)心滾子軸承以及配套新材料、表面處理、狀態(tài)檢技術(shù)構(gòu)成。
此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為先進(jìn)行星齒輪軸承設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)，與直升機減速/傳動系統(tǒng)行星齒輪存在著一定技術(shù)差異。主要研究工作包括提升高速、無機匣氣動負(fù)荷下軸承工況適應(yīng)性設(shè)計、先進(jìn)集成結(jié)構(gòu)行星輪雙列圓柱滾子及單列調(diào)心滾子軸承設(shè)計及制造、高承載/重量比與對中補償工作狀態(tài)下軸承承載分析與評價技術(shù)等。
1.3 電磁懸浮軸承
磁懸浮軸承是利用磁力將被控對象穩(wěn)定懸浮于給定的位置，實現(xiàn)無接觸的高性能軸承。常用的主動磁懸浮軸承由傳感器、被懸浮物體(轉(zhuǎn)子)、控制器和執(zhí)行器四大部分組成。用磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)滾動軸承設(shè)計的多電發(fā)動機(也稱全電發(fā)動機)是航空發(fā)動機的未來發(fā)展方向，發(fā)達(dá)國家已將其列為21世紀(jì)先進(jìn)航空發(fā)動機高效率與輕量化的關(guān)鍵高新技術(shù)，并開始應(yīng)用研究;電磁懸浮軸承在小型發(fā)動機以及智能發(fā)動機中有很大的應(yīng)用前景。
此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為磁懸浮軸承的航發(fā)適應(yīng)性改進(jìn)與失效預(yù)防保護(hù)技術(shù)，航空特殊條件下磁懸浮軸承的應(yīng)用技術(shù)等。在航空發(fā)動機應(yīng)用中，磁懸浮軸承需要適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，如250℃以上的高溫，周期性不穩(wěn)定氣動附加載荷，對發(fā)動機高速轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測實現(xiàn)懸浮等。為滿足這些極端特殊環(huán)境要求，需要在材料、結(jié)構(gòu)、加工制造工藝和控制算法等方面采取一系列的專門措施，并且需要相應(yīng)的試驗條件以及跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)。
圖1 未來航空動力技術(shù)
2 應(yīng)用創(chuàng)新
2.1新型介質(zhì)潤滑
隨著航空動力系統(tǒng)革新，燃油、液氫等工作介質(zhì)直接潤滑可以提供更低的溫度輸入或更小的結(jié)構(gòu)重量，對軸承系統(tǒng)提出了全新的技術(shù)要求。
此類應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)為介質(zhì)材料相容性分析技術(shù)及潤滑影響分析技術(shù)等。主要研究新潤滑介質(zhì)與軸承材料相容性問題、新潤滑介質(zhì)對鋼材、高分子材料、陶瓷等材料的相容性問題。尤其針對高溫、高壓的工況條件下，是否會對材料的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。新潤滑介質(zhì)對軸承潤滑性能的影響方面，主要研究針對工況的潤滑劑材料性能，極壓性能、化學(xué)性能、熱性能、低溫特性、電磁特性等。通過軸承臺架試驗，驗證其是否能夠滿足潤滑要求，同時對軸承疲勞壽命進(jìn)行評估。
2.2 軸承綠色制造
軸承的綠色制造主要涵蓋鍛造、熱處理、冷工藝、再制造等環(huán)節(jié)，相對傳統(tǒng)軸承工藝發(fā)生了顯著改變。
該領(lǐng)域重點為發(fā)展近凈成型技術(shù)，改革自由鍛制坯-輾環(huán)工藝，采用精密鍛造方法，并全線控制金屬流線，提高軸承疲勞壽命。近凈成形是在材料再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行鍛造，成形后只需要進(jìn)行少量機加或不再機加即符合Z終零件質(zhì)量和形狀要求的成形技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。，不僅節(jié)約材料、能源，減少加工工序，顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，還可以使金屬流線沿零件輪廓合理分布，獲得更好的材料組織結(jié)構(gòu)與性能，從而提高產(chǎn)品可靠性和使用壽命。
2.3 低碳化試驗評價
低碳化試驗評價是在航空軸承產(chǎn)品研制方式改進(jìn)和試驗驗證技術(shù)革新兩方面共同基礎(chǔ)上發(fā)展的新型軸承試驗體系。
在改進(jìn)產(chǎn)品研制模式方面，是通過綠色試驗理念，實現(xiàn)試能源、物資消耗根本性下降。搭建完善的四級試驗體系，開展一級材料評估試驗形成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合二級標(biāo)準(zhǔn)軸承壽命修正系數(shù)評估試驗，完善軸承實際壽命預(yù)測，補充三級全尺寸軸承工況適應(yīng)性考核試驗，替代耗時長、任務(wù)量大，能耗高的傳統(tǒng)壽命可靠性試驗，更加準(zhǔn)確更加綠色的完成產(chǎn)品試驗。
同時，采用新技術(shù)開展軸承試驗平臺開發(fā)，試驗設(shè)備節(jié)能減耗淘汰升級，結(jié)合四級試驗體系，針對電混/全電環(huán)境等新技術(shù)概念軸承，建設(shè)試驗設(shè)備、平臺，保證新技術(shù)概念軸承的工況適應(yīng)性充分考核，通過數(shù)據(jù)積累支撐設(shè)計迭代優(yōu)化，解決新技術(shù)概念軸承工作環(huán)境中可能面臨的污染、電蝕、脆性、沖擊蠕變等化學(xué)、物理損傷問題，實現(xiàn)新技術(shù)概念軸承的可靠性設(shè)計，為航空發(fā)動機綠色發(fā)展提供可靠性驗證保障。
3 總結(jié)與展望
通過以上對雙碳政策下航空軸承產(chǎn)品創(chuàng)新與應(yīng)用創(chuàng)新的思考，建議應(yīng)以全面布局，重點突破，循序漸進(jìn)，階段提升的模式開展航空軸承“碳優(yōu)化”體系構(gòu)建，走出中國高端航空軸承的發(fā)展新路。
具體的航空軸承領(lǐng)域碳優(yōu)化發(fā)展可規(guī)劃為三個主要階段。
（1）階段 當(dāng)前～2025年
推進(jìn)碳優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ)研究，以減少現(xiàn)有軸承生產(chǎn)交付能源消耗為基礎(chǔ)，常規(guī)結(jié)構(gòu)技術(shù)改進(jìn)為主導(dǎo)，實現(xiàn)初步的航空軸承碳優(yōu)化技術(shù)儲備，應(yīng)對“雙碳”政策、產(chǎn)業(yè)革新等不確定性風(fēng)險。
（2）第二階段 2025年～2035年
開展碳優(yōu)化技術(shù)原理驗證，關(guān)注航空領(lǐng)域重點發(fā)展的低碳動力系統(tǒng)技術(shù)路線，進(jìn)一步鞏固碳優(yōu)化軸承產(chǎn)品預(yù)研優(yōu)勢能力，驗證并提升相關(guān)技術(shù)成熟度。
（3）第三階段 2035年～2050年及未來
推進(jìn)碳優(yōu)化技術(shù)全流程應(yīng)用，立足航空配套領(lǐng)域發(fā)展趨勢，推進(jìn)自主研發(fā)能力建設(shè)，推進(jìn)各項前期關(guān)鍵技術(shù)研究工程化應(yīng)用與產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。
【參考文獻(xiàn)】
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來源：上海軸承峰會論文集
中國軸承工業(yè)協(xié)會