某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承試驗(yàn)故障分析及改進(jìn)

張振強(qiáng)，楊兵華，趙洋，胡敬原，白陽(yáng)

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪軸前端支點(diǎn)軸承具有高轉(zhuǎn)速、高dm·n值、高工作溫度、載荷跨度大等工況要求，軸承的設(shè)計(jì)、制造難度大，為保證裝機(jī)安全，考核軸承的性能、壽命等是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，需在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行50 h的性能試驗(yàn)及1 500 h的壽命試驗(yàn)，為軸承的裝機(jī)使用提供試驗(yàn)依據(jù)[1-2]。

1 試驗(yàn)條件

如圖1所示，試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)形式為雙半內(nèi)圈三點(diǎn)角接觸球軸承，型號(hào)為C276909。軸承內(nèi)徑為φ46 mm，工作轉(zhuǎn)速范圍(36 000～45 000)r/min，超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為47 250 r/min，dm·n值最高為2.13×106mm·r·min-1；軸承采用噴射潤(rùn)滑，由2個(gè)噴嘴供油，供油溫度為80 ℃，每個(gè)噴嘴的供油流量為(0.641～0.691) L/min。

圖1 試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)

根據(jù)要求，需對(duì)軸承進(jìn)行性能試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。性能試驗(yàn)包括超轉(zhuǎn)、斷油、輕載、重載等項(xiàng)目，主要考核軸承在極限狀態(tài)下的工作性能，試驗(yàn)時(shí)間為每套軸承50 h，共試驗(yàn)3套軸承。耐久性試驗(yàn)用于考核軸承的使用壽命，試驗(yàn)時(shí)間為每套軸承1 500 h，共試驗(yàn)2套軸承。

試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目包括：轉(zhuǎn)速、載荷、供油壓力、供油溫度、回油溫度、軸承座振動(dòng)、軸承外圈溫度等。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求，選用某型專用軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，其最高轉(zhuǎn)速為63 000 r/min，拖動(dòng)功率55 kW，最大載荷為25 kN，最高滑油溫度150 ℃，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)機(jī)主要由主體部件、試驗(yàn)件潤(rùn)滑系統(tǒng)、設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、載荷采用自動(dòng)控制，供油壓力、供油溫度等采用手動(dòng)控制。所有試驗(yàn)參數(shù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)。

2.1 改進(jìn)前的試驗(yàn)方案

各試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量、控制方式和精度等由試驗(yàn)機(jī)的特性決定，與其他試驗(yàn)基本相同，均可滿足試驗(yàn)技術(shù)要求的規(guī)定，在此不做詳細(xì)描述。

試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)主要指試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)，包括試驗(yàn)軸系結(jié)構(gòu)、軸承安裝座結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑噴嘴結(jié)構(gòu)、陪試軸承的選擇、加載方式、回油、密封結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段設(shè)計(jì)影響試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性及溫度特性，是試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)原則是盡量模擬軸承工作狀態(tài)下的安裝、配合、載荷、潤(rùn)滑條件，并使試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離其臨界轉(zhuǎn)速，降低振動(dòng)，提高試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性[3]。

試驗(yàn)機(jī)采用液壓油缸加載，載荷大小由電液比例閥控制。潤(rùn)滑系統(tǒng)為試驗(yàn)軸承和陪試軸承提供潤(rùn)滑油。采用變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過(guò)增速器增速后帶動(dòng)試驗(yàn)軸系旋轉(zhuǎn)，并由變頻器控制轉(zhuǎn)速。

如圖2、圖3所示，試驗(yàn)軸采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，兩端的試驗(yàn)軸承安裝在軸承座上，右端試驗(yàn)軸承的軸承座固定在試驗(yàn)箱體上，起到為試驗(yàn)軸軸向定位的作用；左端試驗(yàn)軸承的軸承座與外襯套之間采用間隙配合，軸承座可在外襯套內(nèi)滑動(dòng)，軸向載荷施加在該軸承座上，通過(guò)左端試驗(yàn)軸承傳遞給試驗(yàn)軸，再作用到右端試驗(yàn)軸承上，2套試驗(yàn)軸承承受的軸向載荷相同。中間徑向加載軸承采用外圈為三瓣波結(jié)構(gòu)形式的滾子軸承，其位于兩試驗(yàn)軸承的中心處，作用在該軸承上的徑向載荷平均分配于兩端的試驗(yàn)軸承，從而保證2套試驗(yàn)軸承承受的載荷條件一致。3套軸承分別用螺母壓緊，鎖片止動(dòng)(試驗(yàn)軸上開(kāi)鎖片槽)。試驗(yàn)箱體采用上、下剖分結(jié)構(gòu)，以便于安裝調(diào)試。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

零件加工完成后，按要求進(jìn)行試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段裝配及調(diào)試試驗(yàn)。調(diào)試時(shí)出現(xiàn)軸承溫度偏高、軸承座振動(dòng)偏大、噪聲大等問(wèn)題。在45 000 r/min時(shí)，試驗(yàn)軸承外圈溫度高達(dá)170 ℃，試驗(yàn)箱體振動(dòng)高達(dá)140 m/s2且不穩(wěn)定。另外，停車后(箱體未冷卻前)手動(dòng)盤(pán)車時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)軸存在卡滯現(xiàn)象，載荷越大，卡滯越明顯，經(jīng)驗(yàn)表明試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

圖2 改進(jìn)前的試驗(yàn)軸系結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)前的試驗(yàn)方案

2.3 故障分析

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題，建立問(wèn)題故障樹(shù)，如圖4所示，從軸承質(zhì)量、試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)方法等角度依次尋找故障原因。

圖4 故障樹(shù)

軸承質(zhì)量方面，由軸承加工廠從設(shè)計(jì)、材料、加工、檢測(cè)等逐步排查，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明試驗(yàn)軸承各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求。

試驗(yàn)機(jī)角度，檢測(cè)試驗(yàn)軸與增速器輸出軸的對(duì)中性，試驗(yàn)軸承的潤(rùn)滑情況以及整個(gè)軸系的裝配是否滿足要求。采用激光對(duì)中儀檢查試驗(yàn)軸與增速器輸出軸的同軸度，結(jié)果表明同軸度符合要求(≤0.02 mm)；打開(kāi)箱體上蓋，啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)檢查各個(gè)噴嘴，結(jié)果表明噴油位置正確；將試驗(yàn)軸從箱體中取出，對(duì)軸上各零件的裝配位置進(jìn)行檢查，各零件位置正確，不存在裝配不到位的情況；通過(guò)以上檢查，排除了裝配、潤(rùn)滑、不對(duì)中等對(duì)試驗(yàn)的影響。由于加工工藝和焊接水平存在問(wèn)題，箱體各焊縫沒(méi)有焊透，受熱時(shí)箱體各部位的變形不均勻，導(dǎo)致兩試驗(yàn)軸承的安裝孔不同心，可能導(dǎo)致軸承卡滯。

試驗(yàn)工裝方面，對(duì)軸系各個(gè)零件進(jìn)行檢查，與軸系尺寸鏈，各零件尺寸、形位公差等進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明均滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)方法方面，主要從陪試軸承的選用以及各個(gè)軸承的布局等角度進(jìn)行分析。在手動(dòng)盤(pán)車時(shí)發(fā)現(xiàn)，中間加載軸承外襯套存在偏擺和平移現(xiàn)象，擺動(dòng)和移動(dòng)的幅度較為明顯。軸換向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外襯套的移動(dòng)方向也出現(xiàn)變換，說(shuō)明試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加載軸承的外圈存在擺動(dòng)和平移?；谵D(zhuǎn)速、載荷等因素的考慮，本次試驗(yàn)的加載軸承選取與試驗(yàn)軸承同機(jī)型的滾子軸承，其外圈為三瓣波結(jié)構(gòu)形式。外圈滾道不是圓柱面，圓周面上存在3個(gè)高點(diǎn)，同時(shí)滾子表面存在凸度。當(dāng)徑向載荷不是正好作用在凸度的高點(diǎn)時(shí)(這種情況不可能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在)，軸承的外圈偏擺就不可避免(當(dāng)外圈平移到一定位置時(shí)，徑向加載油缸桿會(huì)限制其繼續(xù)移動(dòng))，從而導(dǎo)致軸承的振動(dòng)變大。

3 改進(jìn)方案

根據(jù)以上分析，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行以下改進(jìn)，以降低振動(dòng)和試驗(yàn)軸承溫度。

1)改進(jìn)軸承的壓緊方式。原方案采用螺母壓緊、鎖片止動(dòng)的壓緊方式。這種方式需在軸和鎖緊螺母上開(kāi)鎖片槽，雖然鎖片槽采用了對(duì)稱設(shè)計(jì)，但加工誤差導(dǎo)致其不可能完全對(duì)稱，軸組件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各零件上的槽會(huì)擾動(dòng)空氣，增大噪聲；另外，軸組件需先進(jìn)行動(dòng)平衡后再拆卸與軸承座一起裝配，再裝配時(shí)各零件的周向位置會(huì)產(chǎn)生一定變化，很可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡量增大，使試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)增大。

改進(jìn)后的方案采用在軸端面開(kāi)螺紋孔，用4個(gè)M6內(nèi)六角螺釘壓緊，無(wú)需在軸、壓蓋、隔套等零件上開(kāi)槽，使各零件結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，各面基本為完整的圓柱面，不平衡量顯著減小，軸組件動(dòng)平衡后再拆裝對(duì)動(dòng)平衡精度的影響也大為減小，可有效降低振動(dòng)和噪聲。

2)將中間加載軸承由1套滾子軸承改為2套角接觸球軸承。由于角接觸球軸承工作時(shí)需要一定的軸向載荷，兩軸承之間用彈簧施加軸向預(yù)載。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)不存在偏擺問(wèn)題，提高了加載軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，可降低振動(dòng)。

3)將兩端試驗(yàn)軸承由厚壁剛性支承改為薄壁彈性支承。改進(jìn)后的軸承座結(jié)構(gòu)如圖5所示，改進(jìn)后的支承具有一定的彈性，可有效降低振動(dòng)，且其結(jié)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承座結(jié)構(gòu)更為相似，能更好地模擬軸承的工作環(huán)境。

4)將焊接箱體改為鑄造箱體。鑄造箱體具有受熱變形均勻、尺寸穩(wěn)定、吸振性好等優(yōu)點(diǎn)，

改進(jìn)后的試驗(yàn)軸系及試驗(yàn)方案如圖5，圖6所示。

圖5 改進(jìn)后的試驗(yàn)軸系結(jié)構(gòu)

圖6 改進(jìn)后的試驗(yàn)方案

4 改進(jìn)后的試驗(yàn)效果

按改進(jìn)后的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段加工、安裝和調(diào)試，試驗(yàn)狀態(tài)較改進(jìn)前大為改觀，在45 000 r/min時(shí)，試驗(yàn)軸承外圈溫度只有145 ℃，試驗(yàn)箱體振動(dòng)小于50 m/s2且運(yùn)行穩(wěn)定，噪聲明顯減小。停車后手動(dòng)盤(pán)車也不存在試驗(yàn)軸卡滯現(xiàn)象，證明改進(jìn)措施有效，上述問(wèn)題得到了有效解決。隨后進(jìn)行了試驗(yàn)軸承的耐久性試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)展順利。

5 結(jié)束語(yǔ)

原試驗(yàn)方案習(xí)慣性的參照常用結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而沒(méi)有考慮本次試驗(yàn)的特殊性(高轉(zhuǎn)速、高dmn值、加載軸承為三瓣波結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)軸承溫度高、振動(dòng)大、噪聲大、試驗(yàn)軸卡滯等故障。針對(duì)故障現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，最終排除了故障，得出如下經(jīng)驗(yàn)：

1)對(duì)于高轉(zhuǎn)速、高dm·n值以及特殊結(jié)構(gòu)的軸承試驗(yàn)，轉(zhuǎn)接段設(shè)計(jì)時(shí)不能沿用常規(guī)軸承的結(jié)構(gòu)，須進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。

2)三瓣波形式的滾子軸承不適合用作中間加載軸承，容易產(chǎn)生偏擺和平移，導(dǎo)致振動(dòng)增大。采用2套角接觸球軸承作為加載軸承，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且可降低振動(dòng)。

3)軸及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)化。軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有利于簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，保證加工精度，提高動(dòng)平衡精度，降低裝、拆難度，從而有效降低振動(dòng)。

4)試驗(yàn)箱體盡量采用鑄造件，若只能采用焊接件，則需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量及熱處理工藝。