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我国航空发动机关键构件疲劳寿命超5万小时 我国高端装备制造技术取得全新突破

我国航空发动机关键构件疲劳寿命超5万小时 我国高端装备制造技术取得全新突破 海卡航空
2022-11-08
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导读:10月24日,北京航空材料研究院,航空发动机某型主轴承等效加速疲劳寿命试验50000小时未失效。这表明,中国

10月24日,北京航空材料研究院,航空发动机某型主轴承等效加速疲劳寿命试验50000小时未失效这表明,中国完全掌握了新一代抗疲劳制造技术,西方关键构件高端制造上对我“卡脖子”的时代,一去不复返。

赵振业院士先进抗疲劳制造技术是“科创中国”南昌高新区航空制造产业科技服务团的重点服务项目。3年来,学会先后组织多轮调研,积极宣传推广抗疲劳制造技术。

10月27日,由学会组织的宣传团队实地调研了有关成果项目。

由来:抗疲劳制造技术的前世今生

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。

长期以来,西方利用其掌握“表面完整性”制造技术,对我实施“卡脖子”禁限,从不与我开展技术交流合作,对出口我国的关键构件还采取降级处理的办法。比如,日本制造载重汽车寿命120万公里,出口中国为80万公里。德国高铁动车变速箱寿命指标2400万公里,出口中国为240万公里。同时,他们还采取随时加价、延长交货周期、降低标准等方式,“拿我们一把”,致命我国航空飞机、载重汽车、高铁动车、风电装置等进口的关键构件,其寿命仅为国外产品的五分之一,价格却高得离奇。

值得关注的是,这些关键构件核心技术掌握在美西方手里,他们一旦对我国断供或做些手脚,后果不堪设想。

“核心技术要不来、买不来、讨不来”,必须靠自力更生。北京航材院赵振业院士团队主动承担了研究发明第三代抗疲劳制造技术的历史重任,他说:要做就做成,要做就做好,要做就做到领先。

突破:航空高端轴承抗疲劳试验领跑世界

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。

20217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。

20221024日,党的二十大胜利闭幕第二天,从北京航材院又传来振奋人心的爆炸新闻: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!

这表明,世界第三代先进制造技术---抗疲劳制造技术,自此掌握在了中国人手中,我们不仅创新了抗疲劳制造基础理论,还建立了抗疲劳制造技术体系,从根本上解决了关键构件疲劳失效的问题。


图文来自于中国航空学会,如需转载,请注明出处。


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