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碳達(dá)峰碳中和政策對(duì)航空軸承的影響與對(duì)策思考
發(fā)布時(shí)間：2023-06-07
中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司總工程師 馬芳
【摘 要】 航空運(yùn)輸是交通運(yùn)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(guò)各種方式尋求實(shí)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(dòng)機(jī)軸承面臨的影響與對(duì)策極為必要，為應(yīng)對(duì)雙碳政策在航空運(yùn)輸領(lǐng)域推進(jìn)所帶來(lái)的空前機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我國(guó)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(kāi)展新技術(shù)與新產(chǎn)品研究，實(shí)現(xiàn)大尺寸高速圓錐/圓柱滾子軸承、開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)滑、軸承綠色制造、低碳化試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(shí)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(dòng)機(jī)
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(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）的定義，碳中和是指當(dāng)一個(gè)組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過(guò)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(huì)的環(huán)境管理工具，其實(shí)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(guó)大會(huì)一般性辯論上，習(xí)近平主席提出：中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月12日，習(xí)主席在氣候雄心峰會(huì)進(jìn)一步承諾：到2030年，中國(guó)單位國(guó)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。
在當(dāng)前的技術(shù)實(shí)踐與新能源發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn)產(chǎn)品，而交通運(yùn)輸業(yè)也正是碳排放存量與增量的Z大來(lái)源。從全球范圍看，交通運(yùn)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(guó)，交通運(yùn)輸行業(yè)是國(guó)內(nèi)碳排放三大行業(yè)之一，當(dāng)前我國(guó)交通行業(yè)碳排放年均增速保持在5%以上，交通運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放占全國(guó)終端碳排放約10~ 15%。
交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧胖�，航空運(yùn)輸是重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球航空運(yùn)輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過(guò)10億噸，約占全部人類活動(dòng)碳排放的2.8%；我國(guó)航空碳排放占交通運(yùn)輸中的17.67%。數(shù)年來(lái)，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(guò)各種方式尋求實(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)軸承面臨的影響與對(duì)策極為必要，為應(yīng)對(duì)雙碳政策在航空運(yùn)輸領(lǐng)域推進(jìn)所帶來(lái)的空前機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我國(guó)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(dòng)風(fēng)扇）發(fā)動(dòng)機(jī)已建立了對(duì)圓錐/圓柱滾子軸承的創(chuàng)新性應(yīng)用，主要體現(xiàn)為在動(dòng)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(dòng)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(jì)，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(dòng)機(jī)已投入商業(yè)運(yùn)行，羅羅基于齒輪傳動(dòng)的UltraFan超扇發(fā)動(dòng)機(jī)即將于2022年結(jié)束驗(yàn)證階段，燃油效率可較遄達(dá)700提高25%。國(guó)外主要軸承企業(yè)在齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)在圓錐滾子軸承承載能力、可靠性、高速性、低摩擦、低振動(dòng)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(dòng)力制造商的聯(lián)合研發(fā)，開(kāi)展圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)滿足高速、可靠性高、壽命長(zhǎng)、低摩擦等要求，形成與GTF發(fā)動(dòng)機(jī)方案協(xié)同的技術(shù)路線，并預(yù)先開(kāi)展配套設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)、使用等方面技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)高性能圓錐滾子軸承的自主化研制。
1.2 開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)配套軸承
開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代末，也稱?涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)或槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其兼具渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)巡航速度高（Ma0.7～0.82）和螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率高（>0.8）特點(diǎn)。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(duì)現(xiàn)有的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(jì)與應(yīng)用技術(shù)，與直升機(jī)減速/傳動(dòng)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(wú)機(jī)匣氣動(dòng)負(fù)荷下軸承工況適應(yīng)性設(shè)計(jì)、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(jì)及制造、高承載/重量比與對(duì)中補(bǔ)償工作狀態(tài)下軸承承載分析與評(píng)價(jià)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(duì)象穩(wěn)定懸浮于給定的位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的高性能軸承。常用的主動(dòng)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(dòng)軸承設(shè)計(jì)的多電發(fā)動(dòng)機(jī)(也稱全電發(fā)動(dòng)機(jī))是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)發(fā)展方向，發(fā)達(dá)國(guó)家已將其列為21世紀(jì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高效率與輕量化的關(guān)鍵高新技術(shù)，并開(kāi)始應(yīng)用研究;電磁懸浮軸承在小型發(fā)動(dòng)機(jī)以及智能發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)附加載荷，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測(cè)實(shí)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(mén)措施，并且需要相應(yīng)的試驗(yàn)條件以及跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)。
圖1 未來(lái)航空動(dòng)力技術(shù)
2 應(yīng)用創(chuàng)新
2.1新型介質(zhì)潤(rùn)滑
隨著航空動(dòng)力系統(tǒng)革新，燃油、液氫等工作介質(zhì)直接潤(rùn)滑可以提供更低的溫度輸入或更小的結(jié)構(gòu)重量，對(duì)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(rùn)滑影響分析技術(shù)等。主要研究新潤(rùn)滑介質(zhì)與軸承材料相容性問(wèn)題、新潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)鋼材、高分子材料、陶瓷等材料的相容性問(wèn)題。尤其針對(duì)高溫、高壓的工況條件下，是否會(huì)對(duì)材料的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。新潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響方面，主要研究針對(duì)工況的潤(rùn)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(guò)軸承臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證其是否能夠滿足潤(rùn)滑要求，同時(shí)對(duì)軸承疲勞壽命進(jìn)行評(píng)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(duì)傳統(tǒng)軸承工藝發(fā)生了顯著改變。
該領(lǐng)域重點(diǎn)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(jī)加或不再機(jī)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(yàn)評(píng)價(jià)
低碳化試驗(yàn)評(píng)價(jià)是在航空軸承產(chǎn)品研制方式改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)體系。
在改進(jìn)產(chǎn)品研制模式方面，是通過(guò)綠色試驗(yàn)理念，實(shí)現(xiàn)試能源、物資消耗根本性下降。搭建完善的四級(jí)試驗(yàn)體系，開(kāi)展一級(jí)材料評(píng)估試驗(yàn)形成材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)軸承壽命修正系數(shù)評(píng)估試驗(yàn)，完善軸承實(shí)際壽命預(yù)測(cè)，補(bǔ)充三級(jí)全尺寸軸承工況適應(yīng)性考核試驗(yàn)，替代耗時(shí)長(zhǎng)、任務(wù)量大，能耗高的傳統(tǒng)壽命可靠性試驗(yàn)，更加準(zhǔn)確更加綠色的完成產(chǎn)品試驗(yàn)。
同時(shí)，采用新技術(shù)開(kāi)展軸承試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，試驗(yàn)設(shè)備節(jié)能減耗淘汰升級(jí)，結(jié)合四級(jí)試驗(yàn)體系，針對(duì)電混/全電環(huán)境等新技術(shù)概念軸承，建設(shè)試驗(yàn)設(shè)備、平臺(tái)，保證新技術(shù)概念軸承的工況適應(yīng)性充分考核，通過(guò)數(shù)據(jù)積累支撐設(shè)計(jì)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?yè)p傷問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)概念軸承的可靠性設(shè)計(jì)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)綠色發(fā)展提供可靠性驗(yàn)證保障。
3 總結(jié)與展望
通過(guò)以上對(duì)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(diǎn)突破，循序漸進(jìn)，階段提升的模式開(kāi)展航空軸承“碳優(yōu)化”體系構(gòu)建，走出中國(guó)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(gè)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(shí)現(xiàn)初步的航空軸承碳優(yōu)化技術(shù)儲(chǔ)備，應(yīng)對(duì)“雙碳”政策、產(chǎn)業(yè)革新等不確定性風(fēng)險(xiǎn)。
（2）第二階段 2025年～2035年
開(kāi)展碳優(yōu)化技術(shù)原理驗(yàn)證，關(guān)注航空領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的低碳動(dòng)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(shì)能力，驗(yàn)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(lái)
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(shì)，推進(jìn)自主研發(fā)能力建設(shè)，推進(jìn)各項(xiàng)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)】
[1]韓玉琪，王則皓等.通向碳中和的航空新能源動(dòng)力發(fā)展路徑分析[J].航空動(dòng)力，2022,000（003）：13-15.
[2]邱明.軸承關(guān)鍵共性技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].2016上海軸承峰會(huì)論文集，2016,40（6）：68-72.
來(lái)源：上海軸承峰會(huì)論文集
中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)
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