軸承熱-力試驗(yàn)器中等效軸承的設(shè)計(jì)

張功學(xué)，張 磊，文 峰

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中液體火箭則可以重復(fù)性使用，經(jīng)常用于輔佐航天器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整[1-2]。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪泵[3-7]的主要作用是給火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑或者燃料，由于渦輪泵工作環(huán)境的特殊性，必須在高溫高壓下完成正常工作需求。作為火箭動(dòng)力裝置系統(tǒng)中的重要組件，只有保證渦輪泵的正常穩(wěn)定運(yùn)行，才可以保證航天任務(wù)的圓滿完成，而在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障數(shù)據(jù)中，極大一部分原因都是因?yàn)闇u輪泵出現(xiàn)各類問題。目前通過實(shí)時(shí)故障檢測(cè)技術(shù)支撐下可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并通過采取相應(yīng)的解決措施緩解故障問題造成的影響，減少故障產(chǎn)生造成渦輪泵的損壞，保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。渦輪泵作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其高速旋轉(zhuǎn)特性是保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心功能。而軸承是實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵原件，然后由于高速旋轉(zhuǎn)的軸承具有大推力、高轉(zhuǎn)速、超低溫的工況特點(diǎn)，造成軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在發(fā)烏、劃痕甚至是破損的危險(xiǎn)情況。其本質(zhì)原因是高速旋轉(zhuǎn)下的軸承發(fā)熱無法及時(shí)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，難于進(jìn)行熱擴(kuò)散。而由于軸承的超低溫工況特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有的試驗(yàn)器難于進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。軸承所處的工作環(huán)境極其復(fù)雜，不僅有軸承各零部件的摩擦產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散，還有與試驗(yàn)器腔中的流體摩擦產(chǎn)生的熱量，在這種復(fù)雜的工況下，熱交換的研究更為復(fù)雜。基于這種無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)的背景，本文將對(duì)軸承熱-力試驗(yàn)器中等效軸承進(jìn)行研究，為超低溫環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)的搭建提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)[4]。

根據(jù)試驗(yàn)器工作技術(shù)要求提出了等效軸承的概念，通過有限元分析的軟件建立了模型，并利用了仿真分析軟件對(duì)等效軸承進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真分析，通過分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸可以滿足軸承等效的要求。

2 等效軸承設(shè)計(jì)及方案仿真分析

2.1 等效軸承結(jié)構(gòu)理論模型設(shè)計(jì)

基于試驗(yàn)器等效軸承結(jié)構(gòu)的理論分析，試驗(yàn)器軸承的滾動(dòng)體個(gè)數(shù)進(jìn)行孔的數(shù)量的確定和流動(dòng)介質(zhì)通過原有軸承縫隙時(shí)，會(huì)遇見內(nèi)部旋轉(zhuǎn)球和保持架的阻擋。設(shè)計(jì)出如圖1所示的等效軸承結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行仿真分析，從而判斷測(cè)試結(jié)構(gòu)方案的可行性。

圖1 關(guān)鍵測(cè)試結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案

2.2 等效軸承與原有軸承仿真對(duì)比

將等效部件分析得出的流場(chǎng)云圖結(jié)果與原有軸承的流場(chǎng)云圖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 不同工況的有限元軸向截面圖

如圖2所示，分別在旋轉(zhuǎn)軸附近選取5個(gè)位置測(cè)點(diǎn)，5個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)分別為測(cè)點(diǎn)1（50，0，88）、測(cè)點(diǎn)2（150，0，88）、測(cè)點(diǎn)3（170，0，88）、測(cè)點(diǎn)4（200，0，88）、測(cè)點(diǎn)5（270，0，88），旋轉(zhuǎn)軸附近各個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)合速度對(duì)比如表1所示。旋轉(zhuǎn)軸附近各個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)合速度對(duì)比點(diǎn)線圖如圖3所示。

表1 旋轉(zhuǎn)軸附近各個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)合速度比（單位：m/s）

圖3 旋轉(zhuǎn)軸附近各個(gè)位置測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)合速度對(duì)比點(diǎn)線圖

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析圖2兩種方案的不同工況的有限元軸向截面圖可知，流動(dòng)介質(zhì)通過原有軸承和通過關(guān)鍵測(cè)試結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流場(chǎng)傳遞效果基本一致。分析表1和圖3旋轉(zhuǎn)軸附近各個(gè)位置的流場(chǎng)合速度可知，流速大小接近，軸承與等效部件產(chǎn)生的速度場(chǎng)相似，點(diǎn)線圖基本重合，可以證明其等效，可以獲得理想的合速度流場(chǎng)。