中介軸承導(dǎo)致的高低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象

任志遠(yuǎn)+韋周慶

摘 要：某航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后，對通過上部減速器機(jī)匣對高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行搖轉(zhuǎn)檢查時(shí)，多次發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子存在跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，通過放大高、低壓轉(zhuǎn)子之間摩擦副間隙的方法未排除故障，進(jìn)一步復(fù)查發(fā)現(xiàn)故障發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承外環(huán)過盈量偏大導(dǎo)致軸承裝配游隙偏下限，分析認(rèn)為軸承裝配時(shí)存在較大的負(fù)游隙是同轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，該現(xiàn)象對發(fā)動(dòng)機(jī)使用質(zhì)量無明顯影響，控制軸承裝配游隙后可以排除。

關(guān)鍵詞：中介軸承；自由游隙；裝配游隙；同轉(zhuǎn)

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為了降低重量，提高推重比，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用中介軸承結(jié)構(gòu)，即高壓轉(zhuǎn)子的后支點(diǎn)支承在低壓軸上。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)采取中介軸承外環(huán)隨高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)隨低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支承方式，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及環(huán)境溫度均高于低壓轉(zhuǎn)子，受離心力和溫度影響，軸承外環(huán)變形量大于軸承內(nèi)環(huán)，軸承徑向游隙向增大的方向變化，為了保證軸承的穩(wěn)定工作，一般軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)配合均選取較大的過盈量，使裝配時(shí)軸承處于游隙較小的狀態(tài)。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)，搖轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子存在隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，該現(xiàn)象與軸承的裝配游隙為負(fù)游隙相關(guān)。

1.故障現(xiàn)象描述

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后進(jìn)行試驗(yàn)，出現(xiàn)高、低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子時(shí)（通過上部減速器機(jī)匣），低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，檢查分析發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象存在以下規(guī)律：

（1）高壓轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失，起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)冷運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證也表明該現(xiàn)象對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程無影響。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)。

（3）相比按發(fā)動(dòng)機(jī)工作方向即正向旋轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子（順航向順時(shí)針），反向旋轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時(shí)更容易出現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（4）通過進(jìn)氣機(jī)匣手動(dòng)兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)低壓轉(zhuǎn)子時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子均不隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，原因?yàn)楦叩蛪恨D(zhuǎn)子間相互作用力較小，轉(zhuǎn)動(dòng)低壓轉(zhuǎn)子時(shí)，不足以造成質(zhì)量更重的高壓轉(zhuǎn)子（需同時(shí)帶動(dòng)上部減速器和燃、滑油附件轉(zhuǎn)動(dòng)）隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

（5）對出現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，緩慢搖轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時(shí)，不出現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.故障原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)高、低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象分析，造成高低壓同轉(zhuǎn)的因素應(yīng)該與高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子存在相互作用的機(jī)件相關(guān)。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)為中介軸承，外環(huán)裝配在高壓轉(zhuǎn)子上，內(nèi)環(huán)裝配在低渦轉(zhuǎn)子上，高、低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，高低壓轉(zhuǎn)子之間通過篦齒和蜂窩環(huán)、篦齒和銀銅涂層進(jìn)行等摩擦副進(jìn)行封嚴(yán)，從結(jié)構(gòu)看，高、低壓轉(zhuǎn)子在冷態(tài)（出現(xiàn)同轉(zhuǎn)時(shí)）存在互相作用有兩種可能：

（1）中介軸承裝配后游隙較小，可能造成轉(zhuǎn)動(dòng)高壓時(shí)低壓轉(zhuǎn)子隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

（2）篦齒、蜂窩（涂層）封嚴(yán)處由于存在磨損形成的毛刺、蜂窩/涂層圓度偏大，轉(zhuǎn)子重力和軸承游隙對間隙存在影響等因素，間隙小點(diǎn)可能在冷態(tài)存在相互作用的情況。

2.2 相關(guān)要素分析

（1）軸承裝配因素分析

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承外環(huán)要求配合值為-0.063mm～-0.091mm，內(nèi)環(huán)要求配合值為-0.023mm～-0.041mm，軸承自由游隙為0.06mm～0.07mm。

軸承內(nèi)、外環(huán)材料均為軸承鋼Cr4Mo4V，其常溫下彈性模量為203.4GPa，對應(yīng)支承的高渦后軸、低渦軸材料為高溫合金GH4169，其常溫下彈性模量為204GPa，將軸承內(nèi)、外環(huán)、高渦后軸、低渦軸均簡化為厚度一定的圓環(huán)，通過有限元分析法對軸承內(nèi)外環(huán)以及對應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)的剛度比進(jìn)行分析，高渦軸與軸承外環(huán)的剛度比為1.8，低渦軸與軸承內(nèi)環(huán)的剛度比為2.02，按相應(yīng)剛度比計(jì)算裝配游隙，理論上裝配游隙為-0.026mm～0.014mm，對故障發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承進(jìn)行測量計(jì)算，裝配游隙為-0.019mm～-0.025mm，基本處于設(shè)計(jì)要求的下限狀態(tài)。

進(jìn)一步復(fù)查分析表明軸承外環(huán)配合量偏上限是軸承裝配游隙處于要求下限的主要因素，復(fù)查發(fā)現(xiàn)，為保證軸承的穩(wěn)定工作，經(jīng)過有限元分析計(jì)算和軸承配合與試驗(yàn)驗(yàn)證情況的關(guān)聯(lián)分析，裝配時(shí)將中介軸承外環(huán)過盈量由0.063mm～0.091mm控制為0.074mm～0.091mm，并通過對軸承外環(huán)鍍鉻處理的方式提高軸承配合緊度，造成軸承外環(huán)配合偏上限，裝配游隙偏下限。

（2）封嚴(yán)間隙影響分析

高、低壓之間封嚴(yán)處間隙要求最小值基本為0.1mm，受機(jī)件變形等因素影響后，不排除間隙小點(diǎn)存在相互作用的可能，但多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)通過更換相應(yīng)封嚴(yán)處蜂窩和涂層的方式進(jìn)行排故，再次試車后仍存在高低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)經(jīng)試車磨合也無法消除同轉(zhuǎn)現(xiàn)象，判定高低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象與封嚴(yán)間隙關(guān)聯(lián)不大。

2.3 原因分析

綜合上述因素分析，發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓同轉(zhuǎn)的原因與中介軸承裝配狀態(tài)下游隙偏下限有關(guān)，在裝配游隙較小的情況下，受重力影響，中介軸承上部游隙更小，當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（以順航向順時(shí)針為例），由于離心力可忽略，中介軸承外環(huán)處一直存在向下的較大壓力，外環(huán)和滾子之間摩擦力較大，使?jié)L子在正上方區(qū)域內(nèi)不發(fā)生自轉(zhuǎn)，由外環(huán)帶動(dòng)順航向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)環(huán)對滾子施加的摩擦力為順航向逆時(shí)針以阻止?jié)L子隨外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，則滾子對內(nèi)環(huán)施加的摩擦力為順航向順時(shí)針，當(dāng)滾子對內(nèi)環(huán)施加的摩擦力大于低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子順航向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)為與高壓轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增快時(shí)，離心力與重力的合力造成壓力大小和方向的不斷變化，由于不能持續(xù)的對內(nèi)環(huán)施加摩擦力，低壓不出現(xiàn)隨動(dòng)現(xiàn)象。而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)豎直狀態(tài)時(shí)，中介軸承不再受向下的正壓力影響，所以也不出現(xiàn)低壓隨動(dòng)現(xiàn)象。

按設(shè)計(jì)狀態(tài)推算，高壓轉(zhuǎn)子重量約111kg，質(zhì)心中心距約171mm，高渦轉(zhuǎn)子重量約138kg，質(zhì)心中心距約195mm，理想狀態(tài)下計(jì)算離心力，當(dāng)轉(zhuǎn)速w=20rad/s，即約192轉(zhuǎn)/min時(shí)，離心力即可抵消重力作用，實(shí)際情況下，由于質(zhì)心中心距更大，轉(zhuǎn)速更低時(shí)離心力即可抵消重力作用，不再發(fā)生低壓隨動(dòng)現(xiàn)象。

3.故障影響分析

從現(xiàn)象分析，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)高、低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象后進(jìn)行過冷運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該現(xiàn)象對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)無影響。

對中介軸承進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外環(huán)配合雖然過盈較大，但仍在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)受離心力和熱變形影響，中介軸承游隙增大，對后續(xù)工作不產(chǎn)生影響。

該現(xiàn)象只在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)出現(xiàn)，體現(xiàn)的應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于工作過程中的應(yīng)力水平和機(jī)件的應(yīng)力許用水平，不會(huì)造成機(jī)件的結(jié)構(gòu)性損傷，對后續(xù)工作不產(chǎn)生影響，綜合考慮該現(xiàn)象對發(fā)動(dòng)機(jī)使用質(zhì)量無影響。

結(jié)論

為保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行，中介軸承設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大的內(nèi)外環(huán)過盈配合，裝配狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生負(fù)游隙，同時(shí)裝配時(shí)對軸承外環(huán)配合進(jìn)行控制造成裝配游隙偏向下限，當(dāng)裝配游隙偏下限時(shí)，搖轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的拖動(dòng)力會(huì)使低壓轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，這種隨動(dòng)現(xiàn)象體現(xiàn)的應(yīng)力水平較小，對發(fā)動(dòng)機(jī)使用質(zhì)量無影響。

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