中國航發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、航空公司、制造商、零部件供應商均在不斷提升技術，通過各種方式尋求實現碳中和目標。在當前發展預期下，重新審視航空軸承尤其是航空發動機軸承面臨的影響與對策極為必要，為應對雙碳政策在航空運輸領域推進所帶來的空前機遇與挑戰，我國航空軸承領域亟待在產品創新和應用創新方面開展新技術與新產品研究，實現大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承、開式轉子發動機配套軸承、電磁懸浮軸承等關鍵產品創新；形成新型介質潤滑、軸承綠色制造、低碳化試驗評價等先進應用創新，構建分階段全流程的航空軸承“碳優化”技術發展路徑，為實現雙碳目標與助力清潔能源發展貢獻軸承力量。
【關鍵詞】 碳中和；碳達峰；航空軸承；航空發動機
0 引言
2019年12月11日，歐盟公布了《歐洲綠色協議》，設定了2050年歐洲實現碳中和的目標。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的定義，碳中和是指當一個組織在1年內的二氧化碳排放通過二氧化碳去除技術應用達到平衡。碳中和已成為社會的環境管理工具，其實現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屆聯合國大會一般性辯論上，習近平主席提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。2020年12月12日，習主席在氣候雄心峰會進一步承諾：到2030年，中國單位國內生產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到25%左右。實現碳達峰、碳中和目標。
在當前的技術實踐與新能源發展趨勢之中，不論是氫能航空還是電能汽車都已成為Z為關注的焦點產品，而交通運輸業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，交通運輸行業是國內碳排放三大行業之一，當前我國交通行業碳排放年均增速保持在5%以上，交通運輸領域碳排放占全國終端碳排放約10~ 15%。
交通運輸的碳排放中，航空運輸是重要組成部分，據統計，2020年全球航空運輸業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%。數年來，全球航空業、航空公司、制造商、零部件供應商不斷提升技術，通過各種方式尋求實現碳中和目標。在當前發展預期下，基于現有傳統航空技術的進步，仍難以實現2050年碳排放量減少至2005年50％的目標，迫切需要新技術甚至是顛覆性技術改變航空技術現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動機軸承面臨的影響與對策極為必要，為應對雙碳政策在航空運輸領域推進所帶來的空前機遇與挑戰，我國航空軸承領域亟待在產品創新和應用創新方面邁出新的一步，攀登新的高峰。
1 產品創新
1.1大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承
GTF（齒輪傳動風扇）發動機已建立了對圓錐/圓柱滾子軸承的創新性應用，主要體現為在動力齒輪箱中采用大尺寸高性能圓錐/圓柱滾子軸承，作為構成齒輪傳動結構的基礎支承和重要構件，其中圓錐滾子軸承由于采用錐角設計，可承受較大的（單向）軸向和徑向的聯合負荷，應用潛力更大。目前普惠PW100G齒輪風扇發動機已投入商業運行，羅羅基于齒輪傳動的UltraFan超扇發動機即將于2022年結束驗證階段，燃油效率可較遄達700提高25%。國外主要軸承企業在齒輪傳動風扇發動機用圓錐滾子軸承方面已處于領先地位，FAG已經形成了系統化的研究與產業化的應用，重點在圓錐滾子軸承承載能力、可靠性、高速性、低摩擦、低振動等性能指標提升方面獲得突破，并且仍在進行著持續的優化改進。
此類產品的關鍵技術在于高度關注與航空動力制造商的聯合研發，開展圓錐滾子軸承的結構設計和應用技術研究，建設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發動機方案協同的技術路線，并預先開展配套設計、工藝、檢測、使用等方面技術研究，實現高性能圓錐滾子軸承的自主化研制。
1.2 開式轉子發動機配套軸承
開式轉子發動機出現于20 世紀70 年代末，也稱?涵道風扇發動機或槳扇發動機，其兼具渦扇發動機巡航速度高（Ma0.7～0.82）和螺旋槳發動機推進效率高（>0.8）特點。當前研究路線集中于采取先進的槳扇推進器作為產生拉力或推力的主體，對現有的渦扇發動機進行革新，即“超涵道比風扇”概念。先進槳扇推進器的應用提出了對反向旋轉齒輪箱的需求，AVIO發展了PGB反向旋轉齒輪箱行星齒輪軸承方案，由行星齒輪單列調心滾子軸承以及配套新材料、表面處理、狀態檢技術構成。
此類產品的關鍵技術基礎為先進行星齒輪軸承設計與應用技術，與直升機減速/傳動系統行星齒輪存在著一定技術差異。主要研究工作包括提升高速、無機匣氣動負荷下軸承工況適應性設計、先進集成結構行星輪雙列圓柱滾子及單列調心滾子軸承設計及制造、高承載/重量比與對中補償工作狀態下軸承承載分析與評價技術等。
1.3 電磁懸浮軸承
磁懸浮軸承是利用磁力將被控對象穩定懸浮于給定的位置，實現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(轉子)、控制器和執行器四大部分組成。用磁懸浮軸承取代傳統滾動軸承設計的多電發動機(也稱全電發動機)是航空發動機的未來發展方向，發達國家已將其列為21世紀先進航空發動機高效率與輕量化的關鍵高新技術，并開始應用研究;電磁懸浮軸承在小型發動機以及智能發動機中有很大的應用前景。
此類產品的關鍵技術基礎為磁懸浮軸承的航發適應性改進與失效預防保護技術，航空特殊條件下磁懸浮軸承的應用技術等。在航空發動機應用中，磁懸浮軸承需要適應相應的環境參數，如250℃以上的高溫，周期性不穩定氣動附加載荷，對發動機高速轉子的位置進行檢測實現懸浮等。為滿足這些極端特殊環境要求，需要在材料、結構、加工制造工藝和控制算法等方面采取一系列的專門措施，并且需要相應的試驗條件以及跨學科協同攻關。
圖1 未來航空動力技術
2 應用創新
2.1新型介質潤滑
隨著航空動力系統革新，燃油、液氫等工作介質直接潤滑可以提供更低的溫度輸入或更小的結構重量，對軸承系統提出了全新的技術要求。
此類應用關鍵技術基礎為介質材料相容性分析技術及潤滑影響分析技術等。主要研究新潤滑介質與軸承材料相容性問題、新潤滑介質對鋼材、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定性、化學穩定性產生不良影響。新潤滑介質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、再制造等環節，相對傳統軸承工藝發生了顯著改變。
該領域重點為發展近凈成型技術，改革自由鍛制坯-輾環工藝，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晶溫度以上進行鍛造，成形后只需要進行少量機加或不再機加即符合Z終零件質量和形狀要求的成形技術，是先進制造技術的重要組成部分。，不僅節約材料、能源，減少加工工序，顯著提高生產率和產品質量，降低生產成本，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構與性能，從而提高產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品研制方式改進和試驗驗證技術革新兩方面共同基礎上發展的新型軸承試驗體系。
在改進產品研制模式方面，是通過綠色試驗理念，實現試能源、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數據庫，結合二級標準軸承壽命修正系數評估試驗，完善軸承實際壽命預測，補充三級全尺寸軸承工況適應性考核試驗，替代耗時長、任務量大，能耗高的傳統壽命可靠性試驗，更加準確更加綠色的完成產品試驗。
同時，采用新技術開展軸承試驗平臺開發，試驗設備節能減耗淘汰升級，結合四級試驗體系，針對電混/全電環境等新技術概念軸承，建設試驗設備、平臺，保證新技術概念軸承的工況適應性充分考核，通過數據積累支撐設計迭代優化，解決新技術概念軸承工作環境中可能面臨的污染、電蝕、脆性、沖擊蠕變等化學、物理損傷問題，實現新技術概念軸承的可靠性設計，為航空發動機綠色發展提供可靠性驗證保障。
3 總結與展望
通過以上對雙碳政策下航空軸承產品創新與應用創新的思考，建議應以全面布局，重點突破，循序漸進，階段提升的模式開展航空軸承“碳優化”體系構建，走出中國高端航空軸承的發展新路。
具體的航空軸承領域碳優化發展可規劃為三個主要階段。
（1）階段 當前～2025年
推進碳優化技術基礎研究，以減少現有軸承生產交付能源消耗為基礎，常規結構技術改進為主導，實現初步的航空軸承碳優化技術儲備，應對“雙碳”政策、產業革新等不確定性風險。
（2）第二階段 2025年～2035年
開展碳優化技術原理驗證，關注航空領域重點發展的低碳動力系統技術路線，進一步鞏固碳優化軸承產品預研優勢能力，驗證并提升相關技術成熟度。
（3）第三階段 2035年～2050年及未來
推進碳優化技術全流程應用，立足航空配套領域發展趨勢，推進自主研發能力建設，推進各項前期關鍵技術研究工程化應用與產品轉化。
【參考文獻】
[1]韓玉琪，王則皓等.通向碳中和的航空新能源動力發展路徑分析[J].航空動力，2022,000（003）：13-15.
[2]邱明.軸承關鍵共性技術研究現狀和發展趨勢[J].2016上海軸承峰會論文集，2016,40（6）：68-72.
來源：上海軸承峰會論文集
中國軸承工業協會