某發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承壽命分析

王立

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

某發(fā)動(dòng)機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)性能日臻完善，功率不斷增加，達(dá)到了極好的可靠性、維護(hù)性、耐久性、燃油經(jīng)濟(jì)性和安全性水平，甚至可適應(yīng)苛刻的環(huán)境條件，成為所在功率范圍最受歡迎的發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。此發(fā)動(dòng)機(jī)在服役維修中，相對(duì)其它軸承而言1號(hào)軸承因損壞而進(jìn)行的更換比較頻繁。

對(duì)于國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，軸承損壞很少是因?yàn)檩S承的設(shè)計(jì)制造有問(wèn)題，多數(shù)情況下是因?yàn)檩S承在使用中承受的載荷有問(wèn)題。為此，本文試圖從載荷分析入手，找出1號(hào)軸承壽命相對(duì)較短的原因。

1.1號(hào)軸承簡(jiǎn)介

某發(fā)動(dòng)機(jī)采用同心前輸出的結(jié)構(gòu)形式，動(dòng)力渦輪軸穿過(guò)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子中央，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端與輸出軸組件通過(guò)小花鍵聯(lián)接（見(jiàn)圖1），輸出軸的另一端則通過(guò)大花鍵與直升機(jī)減速器的輸入軸聯(lián)接。輸出軸由1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)軸承支承，其中1號(hào)軸承為雙排球軸承，內(nèi)環(huán)采用前、后對(duì)半結(jié)構(gòu)，可以看作兩個(gè)球軸承并列安裝在一起。在發(fā)動(dòng)機(jī)上裝配時(shí)，1號(hào)軸承分半的兩內(nèi)環(huán)通過(guò)前方的鎖緊螺母壓緊在輸出軸的軸頸上，但兩內(nèi)環(huán)之間仍然保留有軸向間隙，兩個(gè)軸承之間及內(nèi)、外環(huán)之間則沒(méi)有軸向游隙。

圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承及其安裝環(huán)境

2.工作載荷分析

由于在輸出軸前、后與其聯(lián)接的轉(zhuǎn)子沒(méi)有輪盤(pán)等質(zhì)量較大的零件，因此，1號(hào)軸承在工作中承受的徑向載荷不會(huì)很大。在軸向載荷方面，通過(guò)花鍵摩擦的傳遞，1號(hào)軸承則可能承受來(lái)自動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子和直升機(jī)減速器轉(zhuǎn)子的載荷。某發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范中規(guī)定，輸出軸應(yīng)能吸收任一方向的最大推力，是輸出軸傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)扭矩極限時(shí)切向力的20%，根據(jù)花鍵參數(shù)和工作扭矩計(jì)算其值約為5000N。

正常情況下對(duì)于動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子而言，其上只作用有氣動(dòng)軸向力且方向朝后，該軸向力由6號(hào)支點(diǎn)的球軸承承受。直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，如果機(jī)動(dòng)載荷朝后，則機(jī)動(dòng)載荷與氣動(dòng)軸向力方向一致，疊加在一起后總的軸向力仍由6號(hào)軸承承受。如果機(jī)動(dòng)載荷朝前且大于氣動(dòng)軸向力，則動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子上總的軸向力方向變化為朝前。由于6號(hào)軸承存在軸向游隙，不能馬上承受相反方向的載荷，軸向力方向剛變化時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力將通過(guò)與輸出軸之間連接花鍵的摩擦傳遞至輸出軸。這時(shí)，由于如前所述1號(hào)軸承沒(méi)有游隙，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力隨即由1號(hào)軸承承受，其大小等于動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子朝前的機(jī)動(dòng)載荷與朝后的氣動(dòng)軸向力之差。

在某發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范中，直升機(jī)飛行時(shí)朝前最大過(guò)載系數(shù)為4，著陸時(shí)為10。動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量約為15kg，即使不考慮氣動(dòng)軸向力，1號(hào)軸承承受的來(lái)自動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力不超過(guò)15×9.8×10=1470N。由于減速器輸入級(jí)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量比動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子小，其可能傳遞給1號(hào)軸承的機(jī)動(dòng)載荷將更小。1470N的載荷并不算大，可以認(rèn)為1號(hào)軸承不會(huì)因?yàn)閬?lái)自動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的工作載荷而引起壽命縮短。某發(fā)動(dòng)機(jī)的3號(hào)軸承，對(duì)應(yīng)的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子躥動(dòng)量大且轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，3號(hào)軸承在直升機(jī)飛行時(shí)可能承受的機(jī)動(dòng)載荷更大，并且，3號(hào)軸承的滾動(dòng)體尺寸及軸承外徑均更小些，但是，3號(hào)軸承卻很少更換，這也從一個(gè)側(cè)面證明了1號(hào)軸承的損壞不是因工作載荷而引起。

3.裝配載荷分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承之所以設(shè)計(jì)成雙排球軸承，是因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)采用了一種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——旋轉(zhuǎn)彈支。如果沒(méi)有旋轉(zhuǎn)彈支，對(duì)于某這種采用同心前輸出功率方式的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，一般情況下，從正常的支承功能來(lái)說(shuō)，1號(hào)軸承采用單排球軸承就能滿足要求。與某發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式類似的RTM322和Ardiden3等發(fā)動(dòng)機(jī)，其1號(hào)軸承都是采用單排球軸承，其中Ardiden3發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。而某發(fā)動(dòng)機(jī)出于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的考慮，需要對(duì)動(dòng)力渦輪軸在前端采用彈性支承，另一方面，動(dòng)力渦輪軸前端部位空間緊湊，在靜子件上安排彈性支承難度較大。為此某發(fā)動(dòng)機(jī)在輸出軸上加工鼠籠結(jié)構(gòu)構(gòu)成旋轉(zhuǎn)彈支。對(duì)于旋轉(zhuǎn)彈支而言，2號(hào)軸承相當(dāng)于其限幅器，而1號(hào)軸承則要承擔(dān)輸出軸軸線的定位功能，并對(duì)旋轉(zhuǎn)彈支進(jìn)行“安裝固定”，需要采用雙排球軸承的結(jié)構(gòu)形式。采用雙排球軸承后，1號(hào)軸承相當(dāng)于兩個(gè)球軸承并列安裝在一起，分別構(gòu)成輸出軸的前、后兩個(gè)支點(diǎn)。

圖2 Ardiden3發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承及其安裝環(huán)境

如圖3所示，當(dāng)輸出軸承受來(lái)自動(dòng)力渦輪軸的徑向載荷Fr時(shí)，后支點(diǎn)承受和傳遞這一徑向載荷，后支點(diǎn)對(duì)輸出軸的徑向作用力Fr'與動(dòng)力渦輪軸對(duì)輸出軸的徑向作用力Fr形成力矩M，為此，前、后支點(diǎn)與輸出軸之間將作用附加徑向載荷Frm和Frm'形成力矩M'與M平衡。比起1號(hào)軸承與2號(hào)軸承的距離而言，1號(hào)軸承雙排球軸承之間的軸向間隔有限，從而使得附加徑向載荷比較大，數(shù)倍于來(lái)自動(dòng)力渦輪軸的徑向載荷。由于附加徑向載荷的存在，在1號(hào)軸承的前排球軸承，需要承受附加徑向載荷，在后排球軸承，則要承受附加徑向載荷與外傳徑向載荷之和。

圖3 輸出軸受力分析

輸出軸與雙排球軸承之間作用有上述徑向載荷時(shí)，輸出軸在前、后排球軸承部位將產(chǎn)生方向相反的徑向載荷，從而導(dǎo)致其軸線將產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，并因此使輸出軸在支承動(dòng)力渦輪軸的部位（2號(hào)軸承部位）產(chǎn)生附加位移，由于杠桿效應(yīng)，后者動(dòng)力渦輪軸的徑向位移是前者前、后排軸承徑向位移的數(shù)倍。要控制這種附加位移，使1號(hào)軸承很好地對(duì)旋轉(zhuǎn)彈支進(jìn)行安裝固定，就要保證兩排球軸承足夠的徑向接觸剛度。為了提高前、后排軸承的徑向剛度，達(dá)到對(duì)旋轉(zhuǎn)彈支進(jìn)行安裝固定的效果，必須對(duì)前、后排軸承施加軸向載荷。具體方法是，如前所述，1號(hào)軸承的內(nèi)環(huán)以螺母壓緊在輸出軸的軸頸上，分半的兩內(nèi)環(huán)之間保留有間隙。如圖4所示，擰緊螺母時(shí)，其與隔套、輸出軸之間分別作用有方向相反的軸向力，其中，隔套上的軸向力傳至前排球軸承的內(nèi)環(huán)后，沿前排球軸承滾動(dòng)體、外環(huán)、后排球軸承滾動(dòng)體的迂回路線傳至后排球軸承內(nèi)環(huán)，最后傳至輸出軸，與螺母施加給輸出軸的軸向力平衡。也就是說(shuō)，裝配螺母時(shí)，雙排球軸承承受了預(yù)載——內(nèi)力。

圖4 1號(hào)軸承裝配內(nèi)力示意圖

在相同轉(zhuǎn)速、相同徑向載荷條件下，在很大的軸向載荷范圍內(nèi)，球軸承徑向剛度與軸向載荷成正比，如圖5所示。根據(jù)這種關(guān)系，1號(hào)軸承在裝配時(shí)需要以較大的力矩?cái)Q緊壓緊螺母，從而使雙排球軸承之間互相施加較大的軸向預(yù)載。其實(shí)，對(duì)一般的球軸承安裝而言，其內(nèi)環(huán)都需要壓緊螺母以較大的軸向預(yù)載壓緊，但是，這種軸向預(yù)載只作用在內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間，而雙排的1號(hào)球軸承，這種軸向預(yù)載則通過(guò)滾動(dòng)體傳遞，作用在雙排球軸承之間。

圖5 球軸承徑向剛度與軸向載荷關(guān)系

根據(jù)在某發(fā)動(dòng)機(jī)維修中所進(jìn)行的測(cè)量，1號(hào)軸承內(nèi)環(huán)壓緊螺母的擰緊力矩約為300N·m。據(jù)此計(jì)算對(duì)應(yīng)的前、后排軸承之間的軸向預(yù)載為32258N，是前述1號(hào)軸承最大可能工作載荷的20倍之多。計(jì)算采用公式[2]：

F―預(yù)緊力產(chǎn)生的軸向載荷（N）；

M―擰緊力矩,M=300N?m；

F―摩擦系數(shù)，f=0.15；

R―螺母支撐面外半徑，R=34.85mm；

R―螺母支撐面內(nèi)半徑，r=31.3mm；

N―每英寸長(zhǎng)度上的螺紋扣數(shù)，n=16；

d2―螺紋中徑，d2=49.925mm；

B―螺紋半角，β=30°。

4.綜合分析

通過(guò)上述分析，有理由認(rèn)為，在外場(chǎng)使用時(shí)，某發(fā)動(dòng)機(jī)1號(hào)軸承更換相對(duì)比較頻繁的原因，主要是由于采用旋轉(zhuǎn)彈支后其自身內(nèi)部在裝配時(shí)施加了很大的軸向預(yù)載，而非因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)承受來(lái)自動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子和直升機(jī)減速器轉(zhuǎn)子的載荷所致。采取措施進(jìn)一步優(yōu)化軸承的設(shè)計(jì)以及更精確地控制裝配預(yù)載，雖然可以在某種程度上提高1號(hào)軸承的壽命，但是，只要是保留輸出軸上的旋轉(zhuǎn)彈支，1號(hào)軸承更換相對(duì)比較頻繁的現(xiàn)象就不可避免。