航空發(fā)動機(jī)傳動裝置球軸承保持架引導(dǎo)間隙對保持架磨損影響研究

中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司 四川 成都 610503

概述

滾動軸承廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)傳動裝置,起支撐、定位、傳遞載荷的作用,其性能、壽命、可靠性、安全性直接影響航空發(fā)動機(jī)傳動裝置能否正常工作。隨著航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展,傳動裝置轉(zhuǎn)速和功率提取越來越高,對球軸承工作穩(wěn)定性要求越來越高。預(yù)防軸承工作異常導(dǎo)致的安全事故已成為航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的重點(diǎn)工作。

軸承保持架與外圈之間的引導(dǎo)間隙是滾動軸承的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一,保持架引導(dǎo)間隙設(shè)計(jì)不合理時(shí),影響軸承保持架的運(yùn)動軌跡和穩(wěn)定性,容易引起保持架和滾動體、保持架和引導(dǎo)套圈的碰撞及摩擦力迅速增加,造成保持架引導(dǎo)面異常磨損,進(jìn)而影響軸承工作穩(wěn)定性和壽命。本文通過對航空發(fā)動機(jī)軸承保持架引導(dǎo)面異常磨損問題研究,確定保持架引導(dǎo)間隙對軸承工作穩(wěn)定性的影響,對滾動軸承保持架參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要的意義。

1 問題分析

1.1 故障簡介 發(fā)動機(jī)地面試車過程中發(fā)現(xiàn)滑油系統(tǒng)油濾存在黃色金屬屑末,經(jīng)分析成分其主要為Cu和Zn,并含有少量Pb,經(jīng)多次更換滑油和驗(yàn)證試車,金屬屑無減少趨勢,進(jìn)一步化驗(yàn)后確定金屬屑主要成分為HPb59-1,該材料主要用于航空發(fā)動機(jī)傳動裝置球軸承保持架。對發(fā)動機(jī)傳動裝置分解檢查,發(fā)現(xiàn)裝配于前傳動機(jī)匣中的2件球軸承保持架外徑面磨損,將軸承外環(huán)剖切后發(fā)現(xiàn)保持架引導(dǎo)面磨損嚴(yán)重,具體情況見圖1。

圖1 軸承損傷形貌

1.2 工況簡介 故障軸承內(nèi)圈與齒輪軸過盈配合,外圈與軸套間隙配合,工作過程中軸承內(nèi)、外圈同時(shí)轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動方向相同,發(fā)動機(jī)額定狀態(tài)時(shí),內(nèi)圈轉(zhuǎn)速10748r/min,外圈轉(zhuǎn)速3614 r/min,工作中所承受的力主要來源于齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的軸向力和徑向力,徑向載荷≯160N,軸向載荷≯31N。

1.3 理化分析 對故障軸承剖切,從宏觀觀察、能譜分析、金相觀察、硬度測試等幾方面進(jìn)行理化分析,得出結(jié)論如下:

(1)軸承失效原因?yàn)楸３旨芤龑?dǎo)面異常磨損導(dǎo)致。

(2)軸承金相組織正常。

(3)軸承外圈軌道面、珠子表面、保持架磨損面顯微硬度無明顯梯度變化,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)軸承各部位未見因潤滑不足導(dǎo)致的燒傷特征。

(5)保持架引導(dǎo)面出現(xiàn)磨損的原因可能是在某種工作狀態(tài)下,外圈的內(nèi)圓擋邊和保持架引導(dǎo)邊局部間隙消失,出現(xiàn)接觸,兩者在相對轉(zhuǎn)動下出現(xiàn)磨損。

1.4 原因分析

1.4.1 振動分析 故障型號軸承共10個(gè)鋼球,使用COBRA軟件計(jì)算軸承在工作轉(zhuǎn)速下保持架的坎貝爾圖,僅考慮軸承有10個(gè)鋼球?qū)Ρ３旨艿臎_擊頻率時(shí),假設(shè)轉(zhuǎn)動頻率為1,則鋼球?qū)Ρ３旨艿募ふ窳︻l率為10。從坎貝爾圖中可以看出,在給定計(jì)算條件下,保持架在軸承工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會發(fā)生共振,可排除振動因素導(dǎo)致軸承保持架引導(dǎo)面異常磨損。

1.4.2 尺寸測量 根據(jù)故障現(xiàn)象和理化分析結(jié)果,查找保持架引導(dǎo)面與軸承外環(huán)異常接觸的原因。因發(fā)動機(jī)已通過長試考核并大量裝配試車,通過剖切同工況、同型號無故障軸承進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)發(fā)生保持架引導(dǎo)面異常磨損的2件軸承引導(dǎo)間隙偏向設(shè)計(jì)值下限(具體情況見表1),可能在發(fā)動機(jī)某種工況下使保持架和軸承外環(huán)異常接觸,產(chǎn)生碰撞及摩擦力從而產(chǎn)生磨損;其余無故障軸承引導(dǎo)間隙分布在設(shè)計(jì)范圍中值或上限區(qū)域。

表1 不同軸承引導(dǎo)間隙對比

1.5 仿真分析驗(yàn)證 為研究引導(dǎo)間隙對保持架運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的影響,應(yīng)用多體動力學(xué)軟件,模擬軸承實(shí)際工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、載荷等工況,在其他參數(shù)不變的情況下,得到不同引導(dǎo)間隙下軸承保持架質(zhì)心運(yùn)動軌跡,見表2。

表2 不同軸承引導(dǎo)間隙對比

仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)引導(dǎo)間隙0.3mm時(shí),保持架運(yùn)動軌跡發(fā)散,穩(wěn)定性差;隨著引導(dǎo)間隙的增大,達(dá)到0.4mm,保持架運(yùn)動軌跡逐漸收斂,趨于平穩(wěn);當(dāng)引導(dǎo)間隙達(dá)到0.5mm時(shí),保持架運(yùn)動軌跡發(fā)散,穩(wěn)定性變差。

結(jié)合表1中故障軸承和正常軸承引導(dǎo)間隙實(shí)測值進(jìn)行分析,原軸承設(shè)計(jì)的保持架引導(dǎo)間隙(0.3～0.45)mm存在設(shè)計(jì)范圍偏大的問題,當(dāng)引導(dǎo)間隙偏下限時(shí),保持架運(yùn)動穩(wěn)定性差,頻繁與軸承外圈接觸,使碰撞及摩擦力迅速增加,硬度較低的黃銅保持架發(fā)生異常磨損。

1.6 裝機(jī)試車驗(yàn)證 選取保持架引導(dǎo)間隙在(0.4～0.45)mm范圍內(nèi)的新品軸承,裝配在傳動裝置上隨發(fā)動機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證試車,試車過程中監(jiān)控發(fā)動機(jī)振動,對滑油進(jìn)行光譜分析和磨粒度檢測,均未見異常;試車后分解檢查,軸承外觀、轉(zhuǎn)動靈活性、成品檢測尺寸均合格。目前調(diào)整引導(dǎo)間隙的新品軸承,共計(jì)60余套,隨30臺以上發(fā)動機(jī)進(jìn)行試車驗(yàn)證,總試車時(shí)間達(dá)600h,均未發(fā)現(xiàn)異常。

2 結(jié)論及建議

本次故障與軸承保持架引導(dǎo)間隙設(shè)計(jì)值范圍不合理有關(guān),合適的保持架引導(dǎo)間隙有利于保持架運(yùn)動軌跡收斂,使保持架運(yùn)動平穩(wěn),偏大或偏小的引導(dǎo)間隙,均會使軸承保持架運(yùn)動軌跡發(fā)散,運(yùn)動穩(wěn)定性差。

在滾動軸承設(shè)計(jì)時(shí),選取合理的引導(dǎo)間隙,對提高軸承的工作穩(wěn)定性和壽命具有重要的意義:采用多體動力學(xué)仿真軟件,模擬軸承實(shí)際工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、載荷等工況,得到不同引導(dǎo)間隙下軸承保持架質(zhì)心運(yùn)動軌跡,選擇保持架運(yùn)動軌跡收斂,運(yùn)動平穩(wěn)的合適區(qū)間,結(jié)合軸承試驗(yàn)器試驗(yàn),對優(yōu)化區(qū)間內(nèi)不同引導(dǎo)間隙的軸承進(jìn)行試驗(yàn),通過試驗(yàn)后保持架引導(dǎo)面的磨痕狀態(tài),進(jìn)一步優(yōu)化引導(dǎo)間隙設(shè)計(jì)區(qū)間,可有效提升軸承工作穩(wěn)定性和壽命。