某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)四支點(diǎn)軸承安裝不到位問(wèn)題分析

摘 要：針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中出現(xiàn)的四支點(diǎn)軸承安裝不到位問(wèn)題，進(jìn)行了裝配結(jié)構(gòu)分析和裝配工藝分析，提出了由于軸承安裝預(yù)緊力作用相對(duì)集中及軸承安裝邊剛性不足造成安裝邊變形，從而導(dǎo)致軸承安裝不到位的結(jié)論，并通過(guò)Abaqus仿真計(jì)算分析，證實(shí)了分析結(jié)果的正確性，并對(duì)此提出改進(jìn)預(yù)防建議。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);軸承;安裝工藝;Abaqus;軸承預(yù)緊

軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一，是在高速、高溫和受力復(fù)雜的條件下工作運(yùn)轉(zhuǎn)，它的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，而軸承安裝精度是影響軸承質(zhì)量的重要因素。[1]四支點(diǎn)軸承裝配在高低壓轉(zhuǎn)子之間，為中介軸承，其安裝精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)品質(zhì)和穩(wěn)定性影響更加敏感。軸承在工作時(shí)必須保證有確定的位置，以保證不發(fā)生軸向竄動(dòng)和保持軸承工作的穩(wěn)定性，因此在裝配過(guò)程中需要對(duì)軸承安裝進(jìn)行檢測(cè)，并加以控制。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)四支點(diǎn)軸承出現(xiàn)過(guò)多次軸承內(nèi)環(huán)軸向裝配不到位的情況，即軸承安裝后用塞尺檢查軸承與軸肩結(jié)合部位的間隙，要求0.03mm塞尺不應(yīng)通過(guò)，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為，安裝邊兩個(gè)螺栓中間位置0.03mm塞尺能通過(guò)，安裝螺栓處0.03mm不能通過(guò)。對(duì)軸承、軸肩相關(guān)配合尺寸進(jìn)行測(cè)量，尺寸均符合要求，排除了由于機(jī)件超差干涉，導(dǎo)致軸承、軸裝配不到位的情況。

1 裝配工藝分析

1.1 四支點(diǎn)軸承裝配結(jié)構(gòu)

四支點(diǎn)軸承為異型內(nèi)圈短圓柱滾子軸承，軸承內(nèi)環(huán)采用雙圓柱面過(guò)盈配合定心，靠精密螺栓軸向拉近固定至軸肩，如圖1。四支點(diǎn)軸承具有軸向尺寸長(zhǎng)、過(guò)盈配合面與軸肩定位面軸向距離大的特點(diǎn)。

依據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸，計(jì)算理論狀態(tài)下軸承與定位軸肩軸向間隙最大值為0.025mm，滿足軸承內(nèi)環(huán)軸向裝配到位檢查的要求。

1.2 四支點(diǎn)軸承裝配工藝

四支點(diǎn)軸承與軸為過(guò)盈配合，配合緊度為0.065mm～0.089mm。由于軸承配合過(guò)盈量較大，因此采用加熱安裝的方法。[2]將軸承在加溫箱中加熱至165～175℃，使其內(nèi)徑膨大，此時(shí)軸承與軸為間隙配合，將軸承內(nèi)環(huán)安裝到軸上，迅速安裝工藝螺母，待軸承冷卻到室溫后，將螺母松開(kāi)，重新按照十字交叉法擰緊螺母。

對(duì)于熱裝軸承，由于受加熱溫度的影響，軸承的安裝有一個(gè)熱脹冷縮的階段。計(jì)算由于溫差導(dǎo)致軸承以與低渦軸過(guò)盈配合面為基準(zhǔn)產(chǎn)生軸向收縮。

ΔL=L·α·ΔT=0.11mm

為防止冷卻過(guò)程中軸承套圈和滾動(dòng)體以及配合軸發(fā)生分離等情況，設(shè)計(jì)在冷卻過(guò)程中對(duì)軸承施加持續(xù)的軸向預(yù)緊操作。在四支點(diǎn)軸承裝配中，采用安裝10件與軸承連接螺栓配合的工藝螺母進(jìn)行預(yù)緊，施加預(yù)緊力保證在冷卻過(guò)程中軸承內(nèi)環(huán)與配合軸保持貼合狀態(tài)。預(yù)緊力作用面為螺栓與軸承安裝邊接觸面范圍。

根據(jù)過(guò)盈配合接觸壓力公式，[3]計(jì)算軸與軸承過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力。

F=Kr·E·e·μ·πD3·HD2-D3

得到軸與軸承過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力為F=531800N

軸承裝配預(yù)緊力與軸向摩擦力大小一致，方向相反，因此軸承裝配預(yù)緊力為：F′=F=531800N。

1.3 結(jié)論

通過(guò)分析可知，軸承裝配后的冷卻過(guò)程使軸承有一定的軸向收縮量，而熱裝裝配采用10個(gè)軸承安裝螺母進(jìn)行預(yù)緊。軸承預(yù)緊力較大，且作用面積相對(duì)集中，同時(shí)軸承安裝邊為“花瓣形”結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了安裝邊剛性。因此，熱脹冷縮過(guò)程中，軸承安裝邊產(chǎn)生變形，軸承與軸肩結(jié)合部位產(chǎn)生大于0.03mm的間隙。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

將軸承內(nèi)環(huán)和軸的UG模型導(dǎo)入有限元軟件Abaqus中，并進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。對(duì)軸承內(nèi)環(huán)和軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格C3D4T，劃分單元數(shù)為155884。并根據(jù)材料屬性對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置。

2.2 邊界條件及載荷

根據(jù)軸承裝配過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行約束。首先，選取一個(gè)端面對(duì)軸進(jìn)行固定。軸承與軸過(guò)盈配合面A為約束Contact，二者有熱脹冷縮產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。螺栓連接保證軸承在冷卻過(guò)程中，與軸之間無(wú)軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此使用約束Tie模擬軸承與軸連接面B，約束作用面為螺栓與軸承內(nèi)環(huán)接觸的“圓環(huán)形”面積。

模型初始溫度為：軸承165℃、軸25℃，最終溫度為：軸承25℃、軸25℃。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算冷卻后軸承安裝邊與軸肩的軸向相對(duì)位移，即二者軸向間隙，結(jié)果如圖4，軸承安裝邊兩兩螺栓安裝孔中間位置的變形量最大，約0.051mm，與軸承裝配不到位的問(wèn)題現(xiàn)象基本吻合。結(jié)果表明，軸承加溫?zé)嵫b然后冷卻的過(guò)程中，發(fā)生軸向收縮變形，軸承與軸過(guò)盈配合處摩擦力與螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力相互作用，最終軸承安裝邊產(chǎn)生變形，導(dǎo)致軸承不能安裝到位，與1.3節(jié)分析結(jié)論一致。

3 結(jié)論及展望

本文對(duì)四支點(diǎn)軸承安裝不到位問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)工藝分析、仿真計(jì)算，得到了以下結(jié)論：（1）由于軸承裝配預(yù)緊力施加集中和安裝邊剛性不足，導(dǎo)致安裝邊變形，從而貼合面有間隙產(chǎn)生，造成四支點(diǎn)軸承安裝不到位。（2）為預(yù)防問(wèn)題的再次發(fā)生，建議從以下方面采取措施：改進(jìn)軸承預(yù)緊工藝，設(shè)計(jì)專用軸承預(yù)緊工裝，增加預(yù)緊力作用面積;提高軸承安裝邊剛性。

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作者簡(jiǎn)介：孫慧潔（1989-），女，山東濟(jì)南人，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝。