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北京疲劳、磨损、腐蚀,是世界公认的机械工程制造三大难题(央视报道)

2022-11-03 21:07:40

我国自主研制航空发动机主轴承新突破!疲劳寿命超5万小时

(2022年11月3日央视报道)

10月24日,由北京航空材料研究院实施的航空发动机关键构件抗疲劳寿命试验突破5万小时,标志着我国高端装备制造技术取得全新突破。

此次进行疲劳试验的关键构件是由我国自主研制的航空发动机主轴承,在试验器上等效加速试验疲劳寿命5万小时未失效,创造了我国新的纪录。

 

(航空发动机主轴承)

北京航空材料研究院高级工程师 汤春峰:飞机要飞几千小时上万小时,如果轴承出了故障,发动机就不能使用了,它是发动机的中枢。试验模拟了航空发动机的工作状况,到目前为止,已经试验加速等效寿命5万小时还未失效,试验还在进行当中。

 

据介绍,像飞机、高铁等高端装备在运行服役过程中,其中关键构件会发生疲劳现象,产生裂纹、发生断裂导致产品失效,是世界工程领域的一大难题。

 

(商用航空发动机的主轴承位置)

我国科研人员经过技术攻关,自主研发了多项抗疲劳制造关键技术,建立了抗疲劳制造技术体系,解决了关键构件的疲劳失效问题,为我国高端装备全面自主化奠定更加坚实的基础。

 

北京航空材料研究院研究员 中国工程院院士 赵振业:我们的抗疲劳制造技术,几乎所有的关键构件都可以做。装备的寿命和可靠性都是拿关键构件来体现的,有了关键构件,就可以做高端装备。所以中国的制造技术整个面上的提升,达到三个极限,极限寿命、极限可靠性、极限减重,也就是说处于国际领先水平。

疲劳、磨损、腐蚀,是世界公认的机械工程制造三大难题。

所谓疲劳,是指材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。通俗讲,好比一根铁丝,经过反复折弯后,就会发烫,直至断裂,这就是疲劳所致。

 

“疲劳”问题的发展,最早可追溯到1830年,虽历经近两百年的研究探索,时至今日,“疲劳失效”问题仍位居三大难题之首。因为磨损可以通过预警提前预防,腐蚀可以通过修整、防护延长寿命,而疲劳则是在没有任何征兆情况下突然断裂,可谓防不胜防。

“成形”制造技术,是世界第一代工程制造技术,已传承百年,它追求的是“形位精密”,目标是向“近无缺陷”方向发展,但没有解决疲劳问题,导致关键构件存在着寿命短、可靠性差和结构重等突出问题。

美国从1948年至1970年,举全国之力,研究发明了第二代制造技术----“表面完整性”制造技术,这是一门“切削加工+疲劳学”的跨学科技术,通过构件表面强化,改善疲劳强度应力集中敏感,以延长产品寿命。这项技术使得西方在高端制造方面处于垄断地位,但疲劳问题仍没有解决,世界制造至今未升级转型。

关键构件,是高端制造的核心,主要包括传动构件,如齿轮、轴承等;转动构件,如叶片、轮盘等;以及主承力构件起落架、对接螺栓等。长期从事航空材料研究的赵振业院士认为,关键构件是设计、制造和材料三个技术体系的集成,其基本特性是:决定装备主要功能,体现寿命与可靠性,失效酿成灾难性后果,疲劳是主要失效模式。

 

轴承被称为工业的“关节”。第二次世界大战中,苏、德两军进攻对方,轰炸目标都首选对方轴承厂,可见轴承的重要性。高性能轴承和齿轮是机械系统中的关键构件,在直升机、航空发动机、赛车及其他精密机械领域中广泛应用,其性能成为制约各种机械性能寿命和可靠性的重要因素。

二十世纪六十年代,美国把双真空熔炼技术引入齿轮钢,解决了传动系统的关键难题,他们制造的航空主轴承寿命长达数千小时甚至上万小时。为此,美西方5家公司在长达50多年时间里垄断了全世界高端轴承80%的市场、航空和高铁100%市场。当时,我国高性能齿轮轴承钢技术十分落后,航空主轴承寿命不足200小时,严重制约了航空发动机、直升机等武器装备和高端机械产品的发展。

 

2009年国家有关部门部署了《高强度抗疲劳航构件抗疲劳制造基础研究》重大项目,要求研究一个验证件,以评价抗疲劳制造理论和方法是否可用。因为航空发动机主轴承是最重要、难度最大的关键构件,赵振业院士团队选择了某个主点主轴承,这样既能完成验证,又能解决难题。

在接下来的13年时间里,赵振业主持新型轴承齿轮钢M50NiL纯净化研究。他通过“提纯原材料、炉外精炼、VIM+VAR双真空熔炼、墩拔开坯”等工艺路线,使M50NiL纯净度超过国际领先水平。他还设计了一种表层硬化型不锈齿轮轴承钢成分体系,首次将齿轮轴承钢提升到超高强度、高韧性和超高硬度水平。

2021年7月28日,采用新型轴承齿轮钢M50NiL的航空主轴承与国际最先进的产品进行抗疲劳试验“同台竞技”,我国主轴承滚珠寿命达到百万小时,高出国外产品15倍;在1.6倍载荷谱最高载荷下加速试验寿命(换算)超过3万小时未失效,打破国际同类产品2万小时未失效的纪录。国家有关部门顺利验收通过抗疲劳制造基础研究项目,包括抗疲劳制造5个机理、抗疲劳制造4种方法,以及提高疲劳强度100%,提高疲劳寿命100倍等技术标准全部达标完成。

 

2022年10月24日,从北京航材院又传来振奋人心的新闻:赵振业院士团队研发航空主轴承抗疲劳试验达到50000小时未失效。这是一个具有划时代意义的里程碑,机械工程制造业又一个世界纪录诞生了!

(来源:央视新闻、中国航空学会)


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