某航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承環(huán)下供油結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油收集率試驗(yàn)

黎建濤，劉鵬，雷浩偉，徐金超，張言偉

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.空軍裝備部駐洛陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471000)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)為支承轉(zhuǎn)子的軸承和提取功率的齒輪等供應(yīng)適量潤(rùn)滑油，減少各部件間的摩擦和磨損并及時(shí)帶走產(chǎn)生的熱量[1]。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有環(huán)下潤(rùn)滑和噴射潤(rùn)滑，環(huán)下潤(rùn)滑比噴射潤(rùn)滑更適合高轉(zhuǎn)速和工作時(shí)產(chǎn)生較多熱量的軸承，廣泛使用于高dn 值的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承潤(rùn)滑中[2]。

環(huán)下供油指潤(rùn)滑油由噴嘴噴出，用集油套(或集油螺母)收集，通過(guò)軸承內(nèi)圈的徑向孔，靠離心力甩入軸承內(nèi)腔[3-5]。受供油結(jié)構(gòu)和空間的限制，環(huán)下供油噴出的潤(rùn)滑油不會(huì)完全供給軸承，總有一部分因飛濺、反射而流失[6-8]，將進(jìn)入軸承內(nèi)圈的油量與總供油量的百分比稱(chēng)為潤(rùn)滑油收集率。

本文研究的軸承環(huán)下供油結(jié)構(gòu)受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，潤(rùn)滑油入射點(diǎn)無(wú)法位于集油槽內(nèi)側(cè)，造成潤(rùn)滑油收集率下降，軸承的潤(rùn)滑和冷卻效果不良，進(jìn)而影響軸承的使用壽命。因此，需要對(duì)該環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率進(jìn)行分析，為軸承在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的供油結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)尺寸及轉(zhuǎn)速、載荷、潤(rùn)滑等試驗(yàn)條件，使用自研的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑油收集率試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)專(zhuān)用于中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50 000 r/min，適用于內(nèi)徑為10～60 mm 的球軸承和滾子軸承，先后完成的發(fā)動(dòng)機(jī)主軸及其軸承試驗(yàn)累計(jì)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，設(shè)備性能穩(wěn)定、可靠。

1.2 試驗(yàn)方案

潤(rùn)滑油收集率試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)軸承放置在右支點(diǎn)，通過(guò)密封套將試驗(yàn)軸承油腔與陪試軸承油腔隔開(kāi)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)柔性聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸連接，提供試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速。

1—柔性聯(lián)軸器；2—左襯套；3—左支點(diǎn)陪試軸承；4—徑向加載陪試軸承；5—徑向加載活塞；6—徑向加載陪試軸承襯套；7—密封套；8—右襯套；9—試驗(yàn)軸承；10—集油螺母；11—噴油體；12—收油腔1；13—收油口1；14—收油口2；15—收油腔2。

試驗(yàn)過(guò)程中高溫潤(rùn)滑油經(jīng)噴油體噴出，飛濺至集油螺母的集油槽內(nèi)，在試驗(yàn)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑油在離心力的作用下，通過(guò)集油螺母油孔及內(nèi)圈油孔進(jìn)入軸承內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的潤(rùn)滑。油嘴孔徑、環(huán)下供油結(jié)構(gòu)間的相互位置等均與航空發(fā)動(dòng)機(jī)一致。集油螺母及軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

圖2 集油螺母結(jié)構(gòu)

圖3 軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)

收油腔分為2個(gè)獨(dú)立腔體，經(jīng)供油體噴射的潤(rùn)滑油一部分因飛濺、反射而流失，流失的潤(rùn)滑油進(jìn)入收油腔1，通過(guò)收油口1 收集未進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油，記為Q1；另一部分潤(rùn)滑油經(jīng)集油螺母，從環(huán)下進(jìn)入軸承，從軸承兩側(cè)匯集到收油腔2，通過(guò)收油口2 收集進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油，記為Q2。該環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率η為

試驗(yàn)潤(rùn)滑油通過(guò)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)用量筒測(cè)量，為保證測(cè)試精度，試驗(yàn)時(shí)待每個(gè)狀態(tài)穩(wěn)定后再進(jìn)行潤(rùn)滑油收集，每次收集時(shí)間為1 min，每個(gè)狀態(tài)下收集3次取平均值。

1.3 試驗(yàn)條件

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承環(huán)下供油結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響潤(rùn)滑油收集率的因素較多，影響較大的因素為轉(zhuǎn)速n、供油壓力p、噴油位置等。噴油位置示意圖如圖4 所示，由噴射角度θ 及噴射距離L確定。

圖4 噴油位置示意圖

本文主要研究該航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下的供油壓力、轉(zhuǎn)速、噴射角度、噴射距離對(duì)環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率的影響，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1，其中轉(zhuǎn)速為客戶(hù)要求的。試驗(yàn)過(guò)程中供油溫度為(90±2) ℃。

表1 試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 轉(zhuǎn)速、供油壓力對(duì)潤(rùn)滑油收集率的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，噴射角度(32°)及噴射距離(11.2 mm)保持不變，不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下潤(rùn)滑油收集率如圖5 所示： 1)同一供油壓力下，轉(zhuǎn)速越高收集率越低，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高，噴射出來(lái)的潤(rùn)滑油與高速旋轉(zhuǎn)的主軸碰撞，撞出的潤(rùn)滑油增多，進(jìn)入集油螺母內(nèi)的相應(yīng)減少；軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)本身形成的氣簾對(duì)潤(rùn)滑油的進(jìn)入產(chǎn)生阻擋作用，轉(zhuǎn)速越高，阻擋作用越大，從而導(dǎo)致進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油越少。2)同一轉(zhuǎn)速下，供油壓力越低收集率越低，這是因?yàn)殡S著供油壓力的降低，潤(rùn)滑油總流量減少，流速降低，導(dǎo)致潤(rùn)滑油與高速旋轉(zhuǎn)的主軸碰撞時(shí)能量變?nèi)酰蝻w濺進(jìn)入集油螺母的油量比試驗(yàn)主軸碰撞、甩飛而流失的油量少得多，造成潤(rùn)滑油收集率降低。

圖5 不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下潤(rùn)滑油收集率

2.2 噴射角度對(duì)潤(rùn)滑油收集率的影響

潤(rùn)滑油噴射距離(11.2 mm)及供油壓力(400 kPa)保持不變，噴射角度為32°和21°時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的潤(rùn)滑油收集率如圖6 所示：噴射角度32°時(shí)的收集率明顯低于21°時(shí)的，原因?yàn)閲娚浣嵌?1°時(shí)的潤(rùn)滑油入射點(diǎn)與集油螺母之間的距離比32°時(shí)減小約4 mm，飛濺進(jìn)入集油螺母集油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油增多，更多的潤(rùn)滑油因離心力被甩入軸承腔內(nèi)，因而潤(rùn)滑油收集率比32°時(shí)的高。

圖6 不同噴射角度下潤(rùn)滑油收集率

2.3 噴射距離對(duì)潤(rùn)滑油收集率的影響

噴射角度(32°)及供油壓力(400 kPa)保持不變，噴射距離分別為9.1，11.2，12.7 mm 時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的潤(rùn)滑油收集率如圖7所示：隨著噴射距離的增加，收集率明顯降低，這是由于隨著噴射距離的增加，潤(rùn)滑油入射點(diǎn)外移，與集油螺母的距離增大，因?yàn)R射進(jìn)入集油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油量減少，造成潤(rùn)滑油收集率降低。因此相同轉(zhuǎn)速及供油壓力條件下，潤(rùn)滑油入射點(diǎn)距集油螺母越近，潤(rùn)滑油收集率越高。

圖7 不同噴射距離下潤(rùn)滑油收集率

3 結(jié)論

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)上對(duì)該環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率進(jìn)行研究，分析不同轉(zhuǎn)速、供油壓力、噴射角度、噴射距離對(duì)潤(rùn)滑油收集率的影響，得出以下結(jié)論：

1)該環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的升高而減小，隨供油壓力的降低而降低。

2)該環(huán)下供油結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑油收集率隨噴射距離的增加明顯降低；噴射角度21°時(shí)的潤(rùn)滑油收集率比32°時(shí)明顯增大，兩者均與潤(rùn)滑油入射點(diǎn)距集油螺母的距離有關(guān)，說(shuō)明潤(rùn)滑油入射點(diǎn)是影響潤(rùn)滑油收集率的重要因素，在設(shè)計(jì)環(huán)下供油結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。()()