航空發(fā)動機(jī)主軸軸承性能試驗機(jī)

王杏，楊兵華,2，滿維偉

(1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.直升機(jī)傳動技術(shù)重點實驗室，湖南 株洲 412002)

航空發(fā)動機(jī)主軸軸承(簡稱主軸軸承)是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子組件的重要組成部分，具有轉(zhuǎn)速高、dn值高、可靠性高等特點，其性能直接影響發(fā)動機(jī)的可靠性和壽命，甚至危及飛機(jī)和人員的安全[1]。

目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性、多樣性等方面，國內(nèi)主軸軸承均難以滿足發(fā)動機(jī)快速發(fā)展的需求。因此，需要開展主軸軸承的試驗研究，通過模擬實際的復(fù)雜工況，獲得主軸軸承在各種工況下的性能參數(shù)，指導(dǎo)其設(shè)計改進(jìn)并提高可靠性。同時，通過試驗機(jī)進(jìn)行軸承性能試驗可以獲取主軸軸承安全運行的設(shè)計邊界條件數(shù)據(jù)，確定其安全運行范圍，并研究主軸軸承跨邊界條件后可能產(chǎn)生的影響及失效模式和失效特性。針對現(xiàn)有試驗機(jī)不具備環(huán)境溫度、極限載荷、加減速等工況模擬功能，且存在控制方式落后、測試參數(shù)較少等問題，研制一種航空發(fā)動機(jī)主軸軸承性能試驗機(jī)，以滿足主軸軸承的試驗研究要求。

1 試驗機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗機(jī)用于航空發(fā)動機(jī)主軸軸承(角接觸球軸承、圓柱滾子軸承)各種應(yīng)用特性的試驗，如加速特性試驗、載荷譜循環(huán)試驗、載荷換向試驗、環(huán)境溫度試驗、斷油試驗及潤滑特性試驗等。

試驗機(jī)主要由主體，試驗軸承潤滑系統(tǒng)，設(shè)備潤滑系統(tǒng)，加載系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)，測控系統(tǒng)，打滑度測量系統(tǒng)，溫度場測量系統(tǒng)，軸承故障診斷系統(tǒng)，潤滑油在線檢測系統(tǒng)，安全防護(hù)裝置，輔助工藝系統(tǒng)等組成。試驗機(jī)三維模型及工作原理分別如圖1，圖2所示。

圖1 試驗機(jī)的三維模型

圖2 試驗機(jī)的工作原理

1.1 主體

如圖3所示，試驗機(jī)的主體采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由試驗平臺、電動機(jī)、增速器、試驗轉(zhuǎn)接段、聯(lián)軸器和安裝座等組成。其中，試驗轉(zhuǎn)接段(圖4)主要包括箱體、試驗軸承、加載軸承、軸承座、試驗軸、軸承腔、加載油缸、供油組件等。除了軸承為外購件，其余部件均為自行設(shè)計[2]。

1—試驗轉(zhuǎn)接段；2—聯(lián)軸器1；3—增速器；4—聯(lián)軸器2；5—電動機(jī)；6—電動機(jī)安裝座；7—平臺；8—增速器安裝座；9—轉(zhuǎn)接段安裝座

1—下箱體；2—軸承座；3—試驗軸；4—上箱體；5—油缸

1.2 試驗軸承潤滑系統(tǒng)

試驗軸承潤滑系統(tǒng)的作用是為試驗軸承提供潤滑，采用電液比例溢流閥遠(yuǎn)程控制供油壓力與供油流量。供油溫度的控制方式為：在系統(tǒng)油箱內(nèi)設(shè)置電加溫器將潤滑油加溫至80 ℃；在供油管路上設(shè)置二次加溫裝置，使噴嘴出口溫度達(dá)到試驗要求的溫度；在回油路上設(shè)置冷卻系統(tǒng)，使?jié)櫥瓦M(jìn)入油箱時溫度不高于80 ℃。

試驗軸承潤滑系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：供油壓力范圍為0～1 MPa；第1路供油溫度為室溫～80 ℃；第2路供油溫度為室溫～150 ℃；第1路供油流量為20 L/min；第2路供油流量為30 L/min。

1.3 設(shè)備潤滑系統(tǒng)

設(shè)備潤滑系統(tǒng)的作用是為試驗機(jī)的增速器軸承提供潤滑和冷卻，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：壓力調(diào)節(jié)范圍為0～0.6 MPa；最大供油流量為60 L/min。

1.4 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由液壓油源、子站、控制器、油缸、伺服閥等部件組成，通過液壓油缸向試驗軸承施加徑向載荷和軸向載荷[3]，油缸壓力由電液伺服閥進(jìn)行控制[4-5]。加載系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：系統(tǒng)壓力為21 MPa；系統(tǒng)流量為63 L/min；載荷控制精度為±3%F.S；控制器為4通道。

液壓油源為加載油缸提供液壓油，油源集成在一臺可移動油車上；為降低噪聲，選用低噪聲電動機(jī)和油泵。子站具有分油、穩(wěn)壓等作用，子站上裝有分油閥塊、伺服閥、蓄能器等元件。選用電液比例伺服閥和4通道控制器控制試驗載荷。為提高加載精度和響應(yīng)速度，選用液壓支承油缸，該類型油缸無密封件，因此摩擦力非常小。

1.5 空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)為試驗軸承提供熱氣源，以模擬軸承的環(huán)境溫度。空氣系統(tǒng)主要由控制柜、電加熱器、減壓閥、冷卻消音裝置、質(zhì)量流量計等組成，采用本地與遠(yuǎn)程控制，配有水冷式散熱器，對排氣進(jìn)行冷卻。主要技術(shù)指標(biāo)如下：空氣系統(tǒng)進(jìn)氣溫度為室溫；供氣流量為0～50 g/s；供氣壓力為≤0.8 MPa；供氣溫度為室溫～500 ℃；控溫精度為±5 ℃；系統(tǒng)(排至大氣)出口溫度為60 ℃。

1.6 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)具有控制、測試、監(jiān)視和報警保護(hù)等功能。

1.6.1 控制功能

控制部分由可編程序控制器、變頻器、溫度控制儀、智能晶閘管模塊、電動機(jī)保護(hù)型斷路器、接觸器和按鈕等元器件組成，具有主拖動功能和輔助拖動功能。主拖動功能控制電動機(jī)的啟/停和試驗轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；輔助拖動功能控制潤滑油系統(tǒng)油泵以及液壓系統(tǒng)油泵電動機(jī)的啟/停。載荷則由MTS控制器進(jìn)行控制。

控制功能具有自動控制和手動控制2種控制方式，兩者之間能快速無擾動地進(jìn)行切換。手動控制方式主要用于調(diào)試階段，通過手動方式控制試驗機(jī)的運行；自動控制時，系統(tǒng)在計算機(jī)控制下根據(jù)預(yù)先設(shè)定的試驗程序準(zhǔn)確、可靠地控制各執(zhí)行元器件的動作，以實現(xiàn)試驗轉(zhuǎn)速及試驗載荷的自動控制功能。試驗程序各階段的工作時間、載荷、轉(zhuǎn)速可獨立設(shè)定和調(diào)整。

1.6.2 測試功能

測試部分由數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)采集柜、測試計算機(jī)、測試軟件、傳感器、儀器儀表等組成，對試驗機(jī)各參數(shù)進(jìn)行實時采集和測試，實現(xiàn)各參數(shù)顯示、記錄，超限報警及保護(hù)等功能，并參與試驗機(jī)邏輯控制及安全保護(hù)控制。

試驗機(jī)測試參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、載荷、振動、油壓、潤滑油流量、潤滑油溫度、空氣流量、空氣溫度、液位及金屬末等。

1.6.3 監(jiān)視功能

試驗機(jī)可對試驗現(xiàn)場的旋轉(zhuǎn)部位和關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)視，并對試驗機(jī)進(jìn)行全貌和局部特寫的觀察和圖像記錄，以保證操作人員能夠安全、直觀和及時地掌握試驗件及試驗機(jī)運行情況，預(yù)防意外情況的發(fā)生，提高試驗安全性。

配備的大尺寸顯示器可實時顯示主要試驗參數(shù)及其運行曲線，供參試人員觀看了解試驗情況。出現(xiàn)試驗件損壞等故障時，試驗機(jī)能進(jìn)行圖像回放，幫助技術(shù)人員快速準(zhǔn)確地分析故障位置。此外，為便于操縱間與試驗間的實時通信，試驗機(jī)配備有語音通話功能。

1.6.4 報警保護(hù)功能

試驗機(jī)具有完善的報警保護(hù)功能，當(dāng)試驗運行時出現(xiàn)超載、超速、超壓、超溫、油濾堵塞、振動過大等故障時，能及時報警，提示試驗人員進(jìn)行適當(dāng)處理。當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、潤滑油流量、空氣溫度、空氣流量等參數(shù)超過設(shè)定的危險值(報警值和危險值可根據(jù)要求設(shè)定)時，能自動卸載和停車保護(hù)，同時保存當(dāng)前的試驗參數(shù)。

由于高壓、高速、高溫的試驗特點，對試驗安全性要求比較高，要求試驗前需先啟動潤滑系統(tǒng)各油泵電動機(jī)，且測試系統(tǒng)無故障停車信號輸出，才能啟動電動機(jī)。因此，將各油泵電動機(jī)的啟動信號(常開點)以及測試系統(tǒng)故障停車信號(常閉點)作為電動機(jī)的啟動條件之一，實現(xiàn)電動機(jī)的連鎖保護(hù)控制功能。

1.7 打滑度測試系統(tǒng)

打滑度測量系統(tǒng)用于測量軸承的打滑度，為研究高速、輕載軸承在一定工況條件下的打滑特性提供數(shù)據(jù)。打滑度測量系統(tǒng)由保持架轉(zhuǎn)速測量傳感器、信號傳輸導(dǎo)線、信號采集器、分析軟件及顯示儀器組成。

1.8 溫度場測試系統(tǒng)

溫度場測試系統(tǒng)用于試驗過程中軸承溫度場測量(端面溫度)，研究軸承的內(nèi)圈、外圈、保持架、滾動體之間的溫度分布情況，在進(jìn)行斷油試驗時尤其有用。溫度場測量系統(tǒng)由紅外攝像頭和數(shù)據(jù)處理計算機(jī)組成。該系統(tǒng)基于紅外熱成像原理，利用攝像頭拍攝物體的紅外圖像顯示物體所輻射的熱量，通過不同的顏色組成反映物體的表面溫度。

攝像頭通過安裝架安裝在平臺上，透過試驗箱體上的觀察窗對試驗軸承進(jìn)行拍攝。觀察窗上裝有特制的鍺玻璃蓋，以便于紅外線穿過而不影響溫度測試精度。

1.9 軸承故障診斷系統(tǒng)

軸承故障診斷系統(tǒng)用于對試驗軸承進(jìn)行在線監(jiān)測，通過拾取軸承座的振動、分析沖擊脈沖信號以判斷軸承的運行狀態(tài)。對研究軸承的故障模式、故障產(chǎn)生原因、故障發(fā)展情況有很大幫助。

1.10 潤滑油在線檢測系統(tǒng)

潤滑油在線檢測系統(tǒng)主要對試驗過程中潤滑油回油管路里的金屬顆粒大小和數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對回油管路中顆粒數(shù)量和大小的增長趨勢進(jìn)行分析，判斷軸承的運行狀態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)軸承早期故障。系統(tǒng)主要由金屬末傳感器、信號采集器、檢測軟件、計算機(jī)等組成。

1.11 其他方面

1)試驗機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為70 000 r/min，經(jīng)綜合對比后選用LMW13型高速膜盤聯(lián)軸器，用于連接增速器輸出軸和試驗軸。

2)選用TD6-66型疊片聯(lián)軸器用于連接主電動機(jī)輸出軸和增速器輸入軸，最高工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最大工作扭矩為300 N·m。

3)試驗機(jī)為高溫、高速試驗機(jī)，為防止高速旋轉(zhuǎn)部件飛出傷人，并對試驗時產(chǎn)生的油霧進(jìn)行凈化，降低環(huán)境污染，試驗機(jī)配備有安全防護(hù)裝置[6]。該裝置由防護(hù)罩、油霧凈化裝置、攝像頭、照明燈組成。油霧凈化裝置安裝在防護(hù)罩頂上，有吸氣管通入防護(hù)罩內(nèi)，試驗時開啟該裝置，將試驗轉(zhuǎn)接裝置和增速器排出的油霧經(jīng)過濾后排出。攝像頭(含云臺)安裝在防護(hù)罩內(nèi)(上部)，在操縱間可通過云臺控制器調(diào)整攝像頭角度和焦距，以監(jiān)視試驗機(jī)的運行狀態(tài)。在試驗機(jī)主體兩邊安裝導(dǎo)軌，防護(hù)罩底部裝輪子，試驗時移動防護(hù)罩將試驗機(jī)主體罩住，安裝試驗件時可將防護(hù)罩移開。采用電動機(jī)構(gòu)移動防護(hù)罩。防護(hù)罩兩端裝雙開門，移動時將門打開，試驗機(jī)運行時將兩端門關(guān)上。

2 試驗機(jī)的調(diào)試及使用

試驗機(jī)完成安裝，進(jìn)行了各系統(tǒng)單項調(diào)試和整機(jī)聯(lián)調(diào)，過程中發(fā)現(xiàn)并解決以下問題：

1)在管路加熱器出口增加一路可回油箱的旁路，解決了試驗軸承潤滑系統(tǒng)加熱器在管道潤滑油流量較小時出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。

2)將二次加溫爐的爐心溫度從600 ℃提升到700 ℃，解決了空氣系統(tǒng)在管道空氣流量較小時加熱溫度達(dá)不到試驗所需最高溫度(500 ℃)的現(xiàn)象。

調(diào)試完畢后，試驗機(jī)各系統(tǒng)工作正常，先后完成了航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的載荷譜循環(huán)試驗、載荷換向試驗、環(huán)境溫度試驗、模擬轉(zhuǎn)子試驗、斷油試驗、打滑度測試試驗、非接觸式溫度場測試試驗、潤滑特性試驗等試驗項目，滿足了航空發(fā)動機(jī)主軸軸承應(yīng)用技術(shù)研究試驗的需求。

3 結(jié)束語

與現(xiàn)有軸承試驗機(jī)相比，所研制的航空發(fā)動機(jī)主軸軸承性能試驗機(jī)具有以下先進(jìn)性：

1)配置有先進(jìn)的軸承溫度場測量、打滑度測量、潤滑油在線檢測、故障診斷等專項測試系統(tǒng)，大大提高了軸承試驗機(jī)的測試技術(shù)水平。

2)采用電渦流高頻空氣加熱技術(shù)，解決了軸承試驗機(jī)小流量空氣加溫的難題。

3)首次在軸承試驗機(jī)上應(yīng)用靜壓支承油缸伺服加載技術(shù)，提高了液壓系統(tǒng)加載精度和響應(yīng)速度，解決了小載荷狀態(tài)下加載不穩(wěn)定的問題。

4)采用安全防護(hù)及油霧處理裝置一體化設(shè)計，提高了軸承試驗機(jī)的安全環(huán)境保護(hù)水平。

該試驗機(jī)功能齊全，自動化程度高，控制精確高，安全性高，操作方便、實用，對類似非標(biāo)試驗機(jī)的開發(fā)工作有一定參考和借鑒意義。