航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承預(yù)載的加載方法與工程實(shí)踐

劉小鳳，蘇廷銘

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，其滾動(dòng)體應(yīng)在內(nèi)、外環(huán)滾道上作純滾動(dòng)。當(dāng)滾道與滾動(dòng)體間的拖動(dòng)力難以克服滾動(dòng)體與保持架組合體之間正常運(yùn)動(dòng)的阻力時(shí)，滾動(dòng)體就會(huì)在滾道上打滑從而形成滑動(dòng)摩擦。當(dāng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)大于滾動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，再加之某些外來(lái)因素的影響，使得滾動(dòng)體在內(nèi)、外環(huán)滾道上發(fā)生干摩擦，從而引起軸承的滑蹭損傷，在滾動(dòng)體、內(nèi)外環(huán)滾道上出現(xiàn)蹭痕、表面局部磨損等現(xiàn)象。當(dāng)軸承出現(xiàn)滑蹭損傷時(shí)，其表面粗糙度被破壞，摩擦系數(shù)增大，磨損過(guò)程加速，使得滾動(dòng)體的直徑變小，并在滾道上出現(xiàn)不均勻的槽痕，造成軸承損壞，對(duì)轉(zhuǎn)子的工作帶來(lái)嚴(yán)重危害，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠工作構(gòu)成威脅[1]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的工作條件比一般機(jī)械軸承的惡劣得多。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)速高、負(fù)荷小的特點(diǎn)，容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速作用下，軸承滾子在大的離心力作用下有脫離內(nèi)環(huán)滾道接觸的趨勢(shì)，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子重量較輕，使得作用在軸承上的徑向負(fù)荷小，再加上飛機(jī)作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)會(huì)在某些情況下使作用于軸承上的負(fù)荷更小，甚至出現(xiàn)零負(fù)載，因而由摩擦產(chǎn)生的拖動(dòng)力變得很小，甚至為零，從而引起軸承打滑。因此，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承上應(yīng)特別注意防止軸承的滑蹭損傷。

阻止主軸承打滑的有效措施有兩大類(lèi)，即減小阻力與增大拖動(dòng)力。本文只針對(duì)采用增大拖動(dòng)力的措施防止軸承滑蹭的工程實(shí)例做介紹。

2 采用增大拖動(dòng)力的措施防止軸承滑蹭的工程實(shí)例

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，采用增大拖動(dòng)力來(lái)防止軸承滑蹭的措施有很多，包括減小軸承的游隙、將軸承保持架定位于內(nèi)環(huán)、對(duì)軸承施加預(yù)載和將滑油噴射方向做成與滾子運(yùn)動(dòng)方向一致等。其中對(duì)軸承施加預(yù)載的措施除了在軸承設(shè)計(jì)上采用非圓軸承外，采用軸向彈簧對(duì)軸承施加預(yù)載也是非常有效的方法之一。J69發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)采用軸向彈簧將預(yù)載施加在滾珠軸承支座上。在軍用斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)MK202中，為防止低壓轉(zhuǎn)子的止推滾珠中介軸承在工作中作用的軸向負(fù)荷變向而引起軸承打滑，也采用了彈簧施加預(yù)載的結(jié)構(gòu)形式。利用兩個(gè)貝氏彈簧，通過(guò)小軸承對(duì)中介止推軸承施加7 120 N向后的預(yù)載，當(dāng)中介止推軸承向后的軸向力變小甚至反向時(shí)，彈簧對(duì)它施加向后的軸向力，如圖1所示。此種采用軸向彈簧對(duì)滾珠軸承施加預(yù)載荷的結(jié)構(gòu)形式，在一些小型渦輪機(jī)械中被廣泛運(yùn)用。

圖1 斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)中介止推軸承防止打滑的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The layout of the anti-slipping bearing system in the SPEY MK202

3 軸承打滑的故障實(shí)例與解決措施

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部件試驗(yàn)中，曾出現(xiàn)過(guò)由于輔助支點(diǎn)滾珠軸承因輕載打滑導(dǎo)致軸承失效的故障。圖2為某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部件試驗(yàn)轉(zhuǎn)子支承簡(jiǎn)圖。該部件試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向力由主支點(diǎn)的滾珠軸承承受，通過(guò)軸承座、試驗(yàn)件排氣機(jī)匣傳至試驗(yàn)設(shè)備的排氣渦殼上。

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部件試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子支承簡(jiǎn)圖Fig.2 The supporting system of a HPC test rig

試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)的作用是將試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)子與設(shè)備的高速齒輪箱聯(lián)接起來(lái)，通過(guò)輔助支點(diǎn)傳動(dòng)軸組件將設(shè)備提供的動(dòng)力傳給試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)試驗(yàn)件運(yùn)轉(zhuǎn)。傳動(dòng)軸組件前端與試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子之間采用花鍵傳扭和球頭定心的柔性聯(lián)接方式，傳動(dòng)軸組件后端與設(shè)備的高速浮動(dòng)軸之間也是采用花鍵傳扭和球頭定心的柔性聯(lián)接方式，如圖3所示。

圖3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)與轉(zhuǎn)子及設(shè)備聯(lián)接處結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The sketch of the assistant fulcrum connecting with rotor assembly and the test bed

該部件試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速非常高，由于受到某些條件的限制，該部件試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)軸承選用了某型發(fā)動(dòng)機(jī)3號(hào)支點(diǎn)的軸承，且與試驗(yàn)件主支點(diǎn)選用的軸承為同一型號(hào)，此軸承為角接觸滾珠軸承，主要承受軸向力。從圖3中可以看出，由于傳動(dòng)軸組件與試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子及試驗(yàn)設(shè)備之間采用的是柔性聯(lián)接方式，在整個(gè)部件試驗(yàn)件運(yùn)行過(guò)程中，該試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)的滾珠軸承只起到了一個(gè)支點(diǎn)的作用而并未承受軸向力。同時(shí)，為保證試驗(yàn)件的安全運(yùn)行，在部件試驗(yàn)件各支點(diǎn)靠近軸承外環(huán)的軸承座垂直和水平方向上均布置2支熱電偶，用于試驗(yàn)中軸承溫度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。圖4為試驗(yàn)件故障前監(jiān)測(cè)的軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，輔助支點(diǎn)滾珠軸承的溫度隨轉(zhuǎn)速變化上升較快，且在試驗(yàn)件運(yùn)行過(guò)程中始終較高，當(dāng)試驗(yàn)件相對(duì)換算轉(zhuǎn)速為1.0時(shí)，此滾珠軸承溫度已超過(guò)120℃。在錄取了相對(duì)換算轉(zhuǎn)速1.0的喘振邊界后，準(zhǔn)備再補(bǔ)充錄取設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，試驗(yàn)間突然發(fā)出劇烈異響，從操縱間觀(guān)測(cè)到試驗(yàn)件與高速齒輪箱之間有煙霧出現(xiàn)，遂立即停車(chē)并對(duì)部件試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行分解檢查。檢查后發(fā)現(xiàn)，部件試驗(yàn)件的輔助支點(diǎn)組件和排氣機(jī)匣組件以及試驗(yàn)設(shè)備高速齒輪箱的浮動(dòng)軸損壞，試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)的滾珠軸承嚴(yán)重?zé)龤В瑑H剩下軸承外環(huán)，輔助支點(diǎn)軸承座和排氣機(jī)匣軸承座安裝邊也完全破壞，如圖5所示。通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)物的認(rèn)真勘察，并結(jié)合試驗(yàn)件各支點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖譜，發(fā)現(xiàn)輔助支點(diǎn)處的振動(dòng)信號(hào)異常，振動(dòng)早于其它支點(diǎn)。分析認(rèn)為，事故原因是由于試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)首先發(fā)生失效、坍塌，從而導(dǎo)致其它部件損壞，而輔助支點(diǎn)的損毀則是由于輔助支點(diǎn)的滾珠軸承輕載打滑導(dǎo)致軸承失效而造成的。

圖4 加預(yù)載前軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)圖Fig.4 The bearing temperature vs rotational speed before preloading

圖5 試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)故障圖Fig.5 The failure of assistant fulcrum

根據(jù)軸承失效原因，分析認(rèn)為需對(duì)輔助支點(diǎn)滾珠軸承施加100～200 N的軸向預(yù)載荷。以往許多給軸承加預(yù)載荷的方法均是將預(yù)載荷直接加在軸承外圈上，而根據(jù)此部件試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，在已有的結(jié)構(gòu)布局下，很難將預(yù)載荷直接加在軸承外圈上。因此，在對(duì)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式不作大的改動(dòng)的情況下來(lái)給軸承施加預(yù)載，比較直接的方法是在試驗(yàn)件輔助支點(diǎn)傳動(dòng)軸組件前端面與部件試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子后軸頸聯(lián)接處之間增加一軸向彈簧(見(jiàn)圖6)。此軸向彈簧在部件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)利用作用力和反作用力的關(guān)系及在彈簧力的作用下，使輔助支點(diǎn)的滾珠軸承在試驗(yàn)件的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中始終承受一定的軸向力，以防止軸承因輕載打滑而失效。通過(guò)初步計(jì)算評(píng)估，第一步通過(guò)施加約為100 N的預(yù)載荷進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證軸承溫度能夠降低的程度。若溫度降幅較大，則按正常試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)，否則將軸承預(yù)載荷再次增加進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 彈簧Fig.6 The spring

為此，對(duì)部件試驗(yàn)件做了一定的修改設(shè)計(jì)和補(bǔ)加工：對(duì)傳動(dòng)軸前端內(nèi)孔進(jìn)行補(bǔ)加工，并在此處增加一彈簧安裝座，將彈簧安裝在彈簧安裝座與試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子后軸頸之間，彈簧承受約100 N的壓縮力。圖7為試驗(yàn)件預(yù)載荷施加處的結(jié)構(gòu)圖。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，預(yù)加約100 N的軸向預(yù)載荷后，試驗(yàn)件運(yùn)行情況良好，輔助支點(diǎn)的滾珠軸承溫度明顯下降，輔助支點(diǎn)軸承最高溫度低于65℃，該部件試驗(yàn)件的安全運(yùn)行時(shí)間已達(dá)1 694.4 min。圖8為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的某部件試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)輔助支點(diǎn)軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果圖。

圖7 預(yù)載荷施加處的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The preloading structure

4 結(jié)論

圖8 加預(yù)載后軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)圖Fig.8 The bearing temperature vs rotational speed after preloading

對(duì)轉(zhuǎn)子施加預(yù)載荷來(lái)防止軸承輕載打滑是一種有效的軸承預(yù)載方法，該方法已在后繼的多個(gè)部件試驗(yàn)件設(shè)計(jì)中得到成功運(yùn)用。

[1]陳 光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的滑蹭損傷與防止措施[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2004，17(3)：58—60.