集成式油兜潤滑軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■ 謝雪騰 徐震 伍登峰 劉方舉 王添 馬紹興 竇海/中國航發(fā)貴陽所

借用“梯田蓄水、開源引渠”的思路，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種集成式油兜潤滑冷卻軸承裝置，此裝置將強(qiáng)制潤滑結(jié)構(gòu)與集油潤滑結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，不僅可以收集附件傳動(dòng)機(jī)匣內(nèi)旋轉(zhuǎn)零部件飛濺的少量滑油，還可以收集強(qiáng)制潤滑后的大量循環(huán)滑油，有效地解決了以往單一集油潤滑結(jié)構(gòu)造成的集油量少、軸承潤滑不充分等問題。

航空器附件傳動(dòng)機(jī)匣的軸承潤滑方式主要有強(qiáng)制噴油潤滑、淌油潤滑、集油潤滑、飛濺潤滑等。附件傳動(dòng)機(jī)匣采用的集油潤滑裝置的核心結(jié)構(gòu)是由擋油板、機(jī)匣殼體、軸承安裝座以及相鄰的加強(qiáng)筋組成的半封閉空間——油兜，見圖1中的藍(lán)色區(qū)域。它可以收集回轉(zhuǎn)零部件工作時(shí)形成的少量飛濺霧化小油滴，然后儲(chǔ)存起來。當(dāng)收集的滑油量達(dá)到軸承座開孔同一水平面時(shí)，便通過油孔流入需要潤滑的軸承腔內(nèi)，隨著軸承腔內(nèi)滑油液面積累到一定高度后，滑油通過軸承保持架與內(nèi)外圈的縫隙進(jìn)入軸承內(nèi)部潤滑冷卻軸承。

圖2 貴州省黔東南苗族侗族自治州加榜梯田

圖1 現(xiàn)有集油潤滑裝置

這種集油方式存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：受加強(qiáng)筋空間布置限制，油兜體積有限，收集量較??；飛濺滑油量不可量化，按固定噴油點(diǎn)被打散后成球體分布來評(píng)估，進(jìn)入油兜內(nèi)的滑油量占比??；擋油板與加強(qiáng)筋結(jié)合面存在少量滲油的可能，油兜收集后有效進(jìn)入軸承腔內(nèi)的滑油極少；當(dāng)航空器做姿態(tài)飛行時(shí)，軸承腔內(nèi)的滑油會(huì)流出，待滑油再次收集到一定液面高度潤滑軸承時(shí)，期間會(huì)存在較長的斷油潤滑期。

為減小因集油裝置收集能力有限對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制帶來的風(fēng)險(xiǎn)，中國航發(fā)貴陽所的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對(duì)潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。

集成式油兜潤滑結(jié)構(gòu)總體方案

梯田蓄水思路

如圖2所示，梯田是云貴川地區(qū)獨(dú)具特色的生態(tài)水系，在雨水易流失的山區(qū)，人們會(huì)在半山腰挖水塘蓄水，再利用梯田地形和溝渠進(jìn)行分級(jí)蓄水和作物灌溉。多雨時(shí)節(jié)，每一級(jí)梯田依靠自身蓄水能力和上級(jí)梯田滲透作用可以滿足自然灌溉；后期降水量少時(shí)，則可以將前期水塘積存的雨水通過溝渠引流逐級(jí)分配，從而保證四季澆灌源源不斷。梯田蓄水解決了山區(qū)“耕地有限”和“水資源有限”的難題，也成為了當(dāng)?shù)匾坏漓n麗風(fēng)景線。

“耕地有限”對(duì)應(yīng)著附件傳動(dòng)機(jī)匣“結(jié)構(gòu)緊湊”的要求，“水資源有限”對(duì)應(yīng)著滑油系統(tǒng)“限量而高效潤滑”的要求。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)充分借用“梯田”蓄水的創(chuàng)意思路，針對(duì)現(xiàn)有集油潤滑裝置存在收集飛濺滑油有限、集油空間小、有效進(jìn)入軸承腔內(nèi)的滑油少、斷油時(shí)間長等缺點(diǎn)，在不增加任何滑油油路和噴嘴前提下，借鑒梯田蓄水的開源引渠思路，巧妙設(shè)計(jì)集油結(jié)構(gòu)、提高集油能力、增強(qiáng)潤滑冷卻效果，來滿足連續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承潤滑，為航空器附件傳動(dòng)機(jī)匣設(shè)計(jì)和制造帶來顯著的性能提升和經(jīng)濟(jì)效益。

集成式油兜潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合型號(hào)研制過程中的實(shí)際情況，利用有限的滑油供給量潤滑冷卻附件傳動(dòng)機(jī)匣內(nèi)全部軸承，對(duì)附件傳動(dòng)機(jī)匣內(nèi)軸承潤滑形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次分析，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出了集成式油兜潤滑軸承新結(jié)構(gòu)。

圖3 集成式油兜潤滑軸承結(jié)構(gòu)

如圖3所示，新結(jié)構(gòu)主要由上方出油孔、導(dǎo)流筋、擋油板、集油腔、下方進(jìn)油孔、下方軸承腔、下方出油孔、軸承襯套和殼體組成。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)匣殼體上采用聯(lián)動(dòng)潤滑結(jié)構(gòu)部位的兩個(gè)軸承座上分別設(shè)有上方出油孔和下方進(jìn)油孔，油孔大小、方位需綜合考慮軸承的型別和參數(shù)來做相應(yīng)的調(diào)整。在兩個(gè)油孔之間設(shè)有導(dǎo)流筋，導(dǎo)流筋盡可能與油孔貼合，保證更好的集油和導(dǎo)油效果。設(shè)計(jì)的擋油板與軸承襯套同心并通過螺柱、螺母、及壓緊鎖片固定，以貼合導(dǎo)流筋和不干涉其他零部件作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，形成封閉關(guān)系，防止收集的滑油從導(dǎo)流筋和擋油板結(jié)合面縫隙中流出，根據(jù)油路的布局可設(shè)計(jì)簡單可行、形態(tài)各異的擋油板。

在實(shí)際工作過程中，對(duì)相對(duì)位置在上方的軸承采取強(qiáng)制潤滑噴油，循環(huán)潤滑油經(jīng)過軸承零件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終將從出油孔排出。在軸承襯套與傳動(dòng)機(jī)匣殼體之間設(shè)有擋油板，并與機(jī)匣導(dǎo)流筋組合構(gòu)成集油腔，滑油集中流到油腔中，當(dāng)油面高于進(jìn)油孔的水平面時(shí)，將流入下一個(gè)軸承腔再次進(jìn)行潤滑冷卻軸承，最后經(jīng)出油孔流向機(jī)匣殼體。這樣的聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅可以收集機(jī)匣環(huán)境下的少量飛濺滑油，還可以儲(chǔ)存大量潤滑軸承流淌的循環(huán)油，從來源上提高集油率，解決收集滑油量途徑單一的問題。

項(xiàng)目應(yīng)用情況

圖4 集成式油兜潤滑示意圖

表1 附件機(jī)匣蓋側(cè)軸承潤滑對(duì)比

表2 附件機(jī)匣殼體側(cè)軸承潤滑對(duì)比

基于以上思路，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將集成式油兜潤滑軸承結(jié)構(gòu)應(yīng)用在一型附件傳動(dòng)機(jī)匣上。由于軸承的潤滑和冷卻所需滑油量與轉(zhuǎn)速關(guān)系較大，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于高轉(zhuǎn)速軸（如電機(jī)傳動(dòng)鏈）的所有軸承采用強(qiáng)制噴油潤滑方式，對(duì)于低轉(zhuǎn)速軸（如液壓泵傳動(dòng)鏈）的軸承均采用油兜潤滑方式。該型號(hào)附件機(jī)匣蓋側(cè)和殼體上對(duì)稱分布了9對(duì)關(guān)聯(lián)式油兜潤滑結(jié)構(gòu)，如圖4所示。所需滑油量理論值與采用集成式油兜結(jié)構(gòu)后供油量的對(duì)比情況見表1、表2。

以附件機(jī)匣蓋側(cè)305號(hào)軸承為例，維持該軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需滑油量計(jì)算值為0.022L/ min，集成后可以收集滑油量0.049L/ min，遠(yuǎn)高于該軸承所需滑油量理論值。計(jì)算結(jié)果表明，各軸承采用集成式油兜結(jié)構(gòu)后，收集能力大幅提高，平均提高收集滑油量1.5倍以上。集成式油兜潤滑裝置實(shí)現(xiàn)了高/低轉(zhuǎn)速的軸承潤滑結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，形成連續(xù)雙效供給的油路通道。

目前，采用新構(gòu)思的集成式油兜結(jié)構(gòu)后，附件傳動(dòng)機(jī)匣初步使用情況良好，能夠滿足連續(xù)高效的軸承潤滑要求。整體油路系統(tǒng)的簡化降低了設(shè)計(jì)—模具—加工的復(fù)雜性，提高了機(jī)匣殼體鑄件成品率，保守估計(jì)每臺(tái)附件機(jī)匣可以節(jié)約加工成本2萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

結(jié)束語

本項(xiàng)目采取結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)潤滑方式，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制噴油潤滑和飛濺潤滑雙效集成，在不擴(kuò)充油兜容積的情況下，拓寬收集能力范圍，集油率平均提高1.5倍以上。利用出油孔、油兜和進(jìn)油孔形成自然的油路通道，替代了按需分配的油路和強(qiáng)制潤滑結(jié)構(gòu)數(shù)量，對(duì)于該型號(hào)，節(jié)省了9條油路及9個(gè)噴射點(diǎn)，可以減輕質(zhì)量1kg左右，零部件的減少可以為其他功能性指標(biāo)創(chuàng)造彈性空間。在后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣研發(fā)過程中，將參考和借鑒此次項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新理念。未來，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)還將不斷挖掘結(jié)構(gòu)潛力，繼續(xù)深入鉆研“輕量化、高效率”的軸承潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。