離心式滑油分配器設(shè)計方法

李博，郭梅，許振君，梁作斌

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司航空發(fā)動機(jī)動力傳輸航空科技重點實驗室，遼寧沈陽110015)

離心式滑油分配器設(shè)計方法

李博，郭梅，許振君，梁作斌

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司航空發(fā)動機(jī)動力傳輸航空科技重點實驗室，遼寧沈陽110015)

航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣包含有大量旋轉(zhuǎn)部件，且轉(zhuǎn)速高、溫升大和工況復(fù)雜。為保證附件機(jī)匣的使用壽命，提高可靠性，必須對旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。但航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)往往設(shè)計得非常緊湊，難以實現(xiàn)多點強(qiáng)制潤滑。離心式滑油分配器可實現(xiàn)狹小空間內(nèi)的多點有效潤滑，同時可簡化附件機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)流體力學(xué)原理，推導(dǎo)了離心式滑油分配器設(shè)計的相關(guān)計算公式，建立了離心式滑油分配器的設(shè)計方法。

航空發(fā)動機(jī)；附件機(jī)匣；離心式滑油分配器；潤滑；漸開線花鍵；滾動軸承

1 引言

航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣用于固定燃滑油附件、控制系統(tǒng)電機(jī)、測試傳感器等飛發(fā)附件，并將渦輪的軸功傳遞給各個附件，滿足各附件對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和功率的要求[1]。同時，在發(fā)動機(jī)起動過程中，通過附件機(jī)匣將起動功率傳遞給發(fā)動機(jī)主軸，保證飛行器無論是在空中或是在地面都能正常起動飛行[2]。

附件機(jī)匣主要由一系列齒輪、軸承及傳動花鍵組成。為滿足附件傳動系統(tǒng)長時間可靠工作，對高速運轉(zhuǎn)的軸承、花鍵必須采用適當(dāng)?shù)姆绞綕櫥鋮s。通常需要在附件機(jī)匣內(nèi)部布置滑油噴嘴進(jìn)行噴油潤滑，但有時因附件機(jī)匣結(jié)構(gòu)緊湊、空間有限，而無法使用噴嘴進(jìn)行潤滑。

本文介紹的一種結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、安裝于齒輪軸內(nèi)部的離心式滑油分配器，可在一定場合下替代滑油噴嘴，簡化附件機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少零組件數(shù)量，提高傳動系統(tǒng)的可靠性[3]。該離心式滑油分配器利用齒輪軸高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力，通過特定孔型，將潤滑油定量、連續(xù)地輸送至潤滑點，對軸承、花鍵進(jìn)行潤滑冷卻，增加其使用壽命，進(jìn)而提高整個傳動系統(tǒng)的可靠性。離心式滑油分配器的設(shè)計點有分油孔型設(shè)計和供油量計算兩個，本文針對這兩個設(shè)計點，建立離心式滑油分配器的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計方法，以為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 軸承和花鍵的潤滑

航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)軸承采用何種潤滑方式，通常依據(jù)軸承的DN(D為軸承內(nèi)徑(mm)，N為轉(zhuǎn)速(r/min))值大小來確定。軸承的DN值可反映軸承在運轉(zhuǎn)過程中的升熱量，為控制軸承溫升，一般對軸承的DN值加以限制。不同潤滑劑和潤滑方式下軸承允許的DN值見表1[4]。

表1 各種潤滑方式下軸承的許用DN值104Table 1 AllowableDN×104among diversified lubricated method

附件機(jī)匣內(nèi)的花鍵一般為漸開線花鍵，設(shè)置于齒輪軸軸端驅(qū)動飛發(fā)附件，或設(shè)置于傳動桿端部傳遞渦輪軸功。內(nèi)外花鍵存在齒側(cè)間隙，在運轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)微動磨損，并且這種磨損會隨著角偏斜量的增大而加劇。對花鍵齒面進(jìn)行強(qiáng)制潤滑，可降低磨損程度，提高使用壽命[5]。在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計領(lǐng)域，花鍵是否需要強(qiáng)制潤滑，主要依據(jù)齒面許用擠壓強(qiáng)度和齒面間相對滑動速度來確定[6]。

對于鋼制、齒面滲碳的漸開線花鍵，相比脂潤滑，采用滴油潤滑可提高齒面擠壓強(qiáng)度50%以上。齒面間的相對滑動速度V主要由角偏斜造成，計算方法為：

式中：Vs為許用滑動速度(mm/s)，Dm為花鍵副的平均直徑(mm)，N為轉(zhuǎn)速(r/min)，Δ為偏斜角度(rad)。

航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣內(nèi)，許用滑動速度通常限制在125 mm/s內(nèi)，偏斜角度通常不大于0.003 rad，超過這一范圍時必須進(jìn)行強(qiáng)制潤滑[7]。

3 離心式滑油分配器的設(shè)計

3.1 分油孔孔型設(shè)計

離心式滑油分配器屬于圓柱形薄壁件，中心為分油孔，通常設(shè)置為腰形。分配器通過過盈固定在空心齒輪軸心部隨齒輪軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)孔型尺寸自動分配潤滑油油量，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 離心式滑油分配器Fig.1 The centrifugal oil distributor

圖1所示滑油分配器通過腰型孔(圖2，圖中虛線為潤滑油落點軌跡)定量分配潤滑油，分配器的理論分油效率按式(2)計算?？紤]到齒輪軸轉(zhuǎn)速、潤滑油物性參數(shù)及流體噴射效應(yīng)等因素的影響，分配器的實際分油效率會降低，式(3)為修正的分油效率計算公式。轉(zhuǎn)速影響系數(shù)Kn、潤滑油粘度影響系數(shù)Kμ和流體噴射效應(yīng)影響系數(shù)Ks可通過試驗獲取，實際使用上將其乘積定義為分配影響因子β(取值范圍0.93～0.96)，則實際分油效率的計算公式可改寫為式(4)。通過改變結(jié)構(gòu)尺寸L、D的大小可實現(xiàn)不同的分配效果，滿足不同附件機(jī)匣的設(shè)計要求。

圖2 滑油分配器分油孔Fig.2 The hole of the centrifugal oil distributor

3.2 供油量計算

進(jìn)入分配器的潤滑油經(jīng)分油孔分成兩個或更多部分，其中一部分潤滑油進(jìn)入甩油腔內(nèi)，之后潤滑油通過圖1所示的甩油孔在離心力的作用下甩出分配器進(jìn)入潤滑點。通過甩油孔甩出的潤滑油流量大小，主要取決于轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)尺寸及機(jī)匣內(nèi)壓強(qiáng)，可根據(jù)薄壁孔口的恒定自由流模型計算[8]，見圖3。公式(5)是薄壁孔口恒定自由流流量的計算公式。

圖3 薄壁孔口自由出流Fig.3 The flow of fluid from the thin walled hole

式中：Q為流量(cm3/s)；Cd為出流系數(shù)，通常為0.60～0.61；A為甩油孔截面積(mm)；Δp為1-1截面與C-C出口截面的壓力差；H為液面高度(mm)；ρ為潤滑油密度(g/cm3)。

這里需要說明的是，薄壁孔口恒定自由流計算模型僅考慮重力作用下的液體流動，而滑油分配器內(nèi)的潤滑油是在離心力作用下甩出，所以在自由流基礎(chǔ)上需增加一個“離心水頭”的影響效果。根據(jù)等角速度旋轉(zhuǎn)容器中液體平衡模型[5]，離心力作用產(chǎn)生的“離心水頭”按式(6)計算，這樣修正后甩油孔潤滑油流量按式(7)計算。一般情況下進(jìn)入滑油分配器的潤滑油無法形成穩(wěn)定油面，所以計算過程中不考慮位置水頭的影響，即認(rèn)為H=0。

式中：ω為角速度(rad/s)，r為甩油孔距旋轉(zhuǎn)中心的距離(mm)。

如果進(jìn)入分配器的滑油總流量為Q總，那么在分配器尺寸設(shè)計上必須滿足式(8)。其中η為甩油孔出油效率，表示甩油效果的強(qiáng)弱。為保證潤滑效果，η必須小于1，通常選在0.85～1.00之間，即保證通過甩油孔甩出的潤滑油總是多于進(jìn)入的潤滑油，這樣可保證分配器內(nèi)不會有過多積油。積油會造成齒輪軸不平衡響應(yīng)增大，降低軸承的使用壽命。

式中：Z為甩油孔數(shù)量。

3.3 設(shè)計案例

圖4是某型航空發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣的一處離心式滑油分配器應(yīng)用示例。如圖所示，噴嘴噴出的壓力油經(jīng)腰形分油孔分別進(jìn)入A腔和B腔，進(jìn)入A腔的潤滑油經(jīng)甩油孔(7和8)，依靠離心力產(chǎn)生的甩油作用對球軸承進(jìn)行潤滑[9]，擋油板結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對球軸承的潤滑效果；進(jìn)入B腔的潤滑油流入滾棒軸承，并形成具有一定液面高度的油池對軸承進(jìn)行油浴滑。

圖4 軸承潤滑F(xiàn)ig.4 Lubricated bearing

圖5 花鍵潤滑F(xiàn)ig.5 Lubricated multiple spline

圖5是使用離心式滑油分配器對漸開線花鍵進(jìn)行潤滑的例子[10]。通過噴嘴1潤滑油進(jìn)入分配器，A-A視圖中虛線為潤滑油落點軌跡，之后潤滑油經(jīng)8字形分油孔分配后部分通過甩油孔進(jìn)入傳動軸花鍵進(jìn)行潤滑。通常受結(jié)構(gòu)限制，花鍵一般采用潤滑脂進(jìn)行被動潤滑；本例通過分配器，實現(xiàn)了花鍵連接的強(qiáng)制供油潤滑，提高了傳動的可靠性。

4 結(jié)束語

離心式滑油分配器可有效解決齒輪箱內(nèi)狹小空間的多點潤滑問題，簡化機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對軸承和花鍵等結(jié)構(gòu)的有效潤滑及冷卻。本文詳細(xì)介紹了離心式滑油分配器的設(shè)計方法及應(yīng)用實例，根據(jù)這一方法，可設(shè)計出更多、形式更靈活的結(jié)構(gòu)，以適用不同機(jī)匣的需要。離心式滑油分配器在設(shè)計和使用上，還需注意以下三個問題：

(1)分配器與旋轉(zhuǎn)部件之間通常采用H7/u6、H7/s6的過盈聯(lián)結(jié)，保證分配器不會軸向移動；

(2)離心式滑油分配器利用離心力的甩油效果實現(xiàn)滑油輸送，所以必須使用在高轉(zhuǎn)速場合(一般要求轉(zhuǎn)速不低于6 000 r/min)；

(3)分配器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須保證滑油流動順暢，不存在積油點，實現(xiàn)干油腔設(shè)計，即不工作時其內(nèi)部無存油。

[1]劉長福，鄧明.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[3]林左鳴.戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空發(fā)動機(jī)，2006，32(1)：6—8.

[4]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊[K].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]Valtierra J R M L，Brown H W，Ku P M.A Critical Survey and Analysis of Aircraft Spline Failures[R].San Antonio：Southwest Research Institute，1975.

[6]Waterhouse R B.Fretting Fatigue[M].London：Applied Science Publishers，1981.

[7]航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊：第12冊——傳動及潤滑系統(tǒng)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[8]盛敬超.液壓流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[9]賴偉，林國昌，陳聰慧.燃?xì)廨啓C(jī)滾動軸承故障模式及延壽方法[J].航空發(fā)動機(jī)，2007，33(1)：37—41.

[10]郭梅，陳聰慧，戰(zhàn)鵬，等.航空發(fā)動機(jī)中央傳動桿磨損故障分析與研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2013，26 (2)：54—57.

Design Method of Centrifugal Oil Distributor

LI Bo，GUO Mei，XU Zhen-jun，LIANG Zuo-bin
(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Power Transmission of Aero-Engine，Aviation Industry Corporation of china，110015，China)

The accessory casing of aero-engine includes a series of rotating parts which operated in hostile environment featured high speed and temperature.Generally,to guarantee the operating life and reliability, the rotating parts of accessory casing have to possess forced-feed lubrication,but as a result of well-knit construction,it is very difficult to conduct multi-point lubrication.The centrifugal oil distributor is capable of conducting multi-point lubrication,but also simplifying internal construction of gearboxes.Fundamental?ly,the textual content has been concluded and design method of the centrifugal oil distributor was estab?lished based on the theory of hydrodynamics.

aero-engine；accessory casing；centrifugal oil distributor；lubrication；spline；rolling bearing

V233.4

：A

：1672-2620(2014)04-0035-04

2013-12-17；

：2014-05-07

李博(1982-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究工作。