三瓣波滾子軸承試驗方案的分析與改進

張金煥，王健，張同賀，谷運龍

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

航空發(fā)動機作為飛機的動力系統(tǒng)，其可靠性是飛機安全飛行的重要保障。發(fā)動機主軸軸承作為復雜軸系的關(guān)鍵部件，直接影響發(fā)動機的可靠性、壽命和安全性。因此，需要對軸承進行性能壽命試驗[1-3]。

某型號航空發(fā)動機渦輪主軸后支點圓柱滾子軸承具有高溫、高速、輕載的使用特點，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圓柱滾子軸承已不能滿足發(fā)動機的性能要求[4]，為防止高速輕載打滑，后支點軸承采用三瓣波形滾道。由于其結(jié)構(gòu)特殊(三瓣波形滾道、薄壁)、轉(zhuǎn)速較高(dmn值為2.25×106mm·r·min-1)，軸承試驗難度較大，在進行1 500 h耐久性試驗過程中，軸承出現(xiàn)故障，報警停機。

下文針對試驗軸承的故障模式及原因等方面進行綜合分析，對原試驗方案進行改進設(shè)計，并通過試驗驗證了改進方案的可行性。

1 試驗

1.1 軸承參數(shù)及試驗條件

試驗軸承為2套，試驗軸承及其外圈滾道結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示[4-5]。軸承尺寸(d×D×B/C)為φ50 mm×φ73.4 mm ×17/13.5 mm，外圈為三瓣波形滾道帶雙擋邊，內(nèi)圈無擋邊，保持架外引導。外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)；采用航空潤滑油4050實現(xiàn)噴油潤滑，供油溫度80 ℃；最高試驗轉(zhuǎn)速45 000 r/min；徑向載荷228～1 388 N；試驗時間1 500 h。

圖1 試驗軸承結(jié)構(gòu)

圖2 三瓣波形滾道

1.2 試驗設(shè)備

試驗在高溫高速型軸承試驗機上進行，其主體為簡支梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。試驗軸承位于軸系中間，一次試驗1套，兩支點端為陪試軸承；高速電主軸通過柔性聯(lián)軸器與試驗主軸的軸伸端相連，輸出試驗要求轉(zhuǎn)速；徑向載荷由徑向加載活塞通過承載套直接施加于試驗軸承上，兩支點端陪試軸承由彈簧進行軸向預(yù)緊；潤滑油通過噴油嘴噴入試驗軸承和陪試軸承，試驗軸承為雙邊噴油。

1—左襯套；2—左端蓋；3—陪試軸承；4—試驗襯套；5—加載活塞；6—試驗軸承；7—右襯套；8—右端蓋；9—試驗主軸；10—噴油嘴

2 故障分析

2.1 故障模式

試驗進行至319 h軸承出現(xiàn)異常，試驗機報警停機，此時各項試驗參數(shù)均出現(xiàn)較大異常波動，其中：外圈溫度升高約11 ℃，主機電流增大約15 A，主體振動增大2g(g為重力加速度)，同時在停機過程中出現(xiàn)較大異常聲。

停機后手動轉(zhuǎn)動主軸，卡滯嚴重。檢查發(fā)現(xiàn)試驗襯套發(fā)生了偏斜(圖4)，起限位作用的定位銷也折彎變形(圖5)，試驗軸承下方有少許脫落的金屬屑。分解試驗軸承發(fā)現(xiàn)，滾子部分變形(圖6)，內(nèi)圈滾道1/2寬度的整個圓周磨損嚴重(圖7)，保持架鍍層少許脫落。

圖4 襯套故障

圖5 定位銷故障

圖6 滾子故障

圖7 內(nèi)圈滾道故障

2.2 故障原因

試驗軸承外圈組件的中間襯套發(fā)生偏斜、定位銷折彎，說明試驗襯套不能可靠地安裝定位、有效約束軸承處于中心垂直加載位置，導致軸承在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生偏擺或軸向竄動，發(fā)生偏磨。另一方面，由于軸承外圈采用三瓣波形滾道，其不規(guī)則滾道形式雖能防止軸承出現(xiàn)輕載打滑，但工作中三瓣波頂點成為軸承的強迫激振源[5]，加劇了軸承運轉(zhuǎn)的偏擺和竄動(尤其在變速、變載的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中)，進而導致軸運轉(zhuǎn)失穩(wěn)，出現(xiàn)異常磨損、溫升和振動，且主機電流增大，最終報警停機。

試驗機主體為簡支梁結(jié)構(gòu)，為施加徑向力，中間試驗襯套采用浮動式安裝，依靠加載活塞的球頭與襯套V形槽定位，但帶有強迫激振源的三瓣波滾子軸承不能充分適應(yīng)，導致軸承運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

3 改進試驗

3.1 改進方案

針對上述故障模式及失效原因采取了以下改進措施及方案：

1)將試驗軸承由中間懸浮位置改為支點固定端位置，更接近軸承在發(fā)動機上的安裝工況，同時避免了試驗過程中由于襯套定位不可靠對試驗的影響。

2)針對該三瓣波滾子軸承的運轉(zhuǎn)振動特性，模擬軸承在發(fā)動機上彈支的安裝結(jié)構(gòu)形式，進行減振。

改進后的試驗方案如圖8所示，仍采用簡支梁結(jié)構(gòu)，試驗軸承位于軸系的支點端。軸承安裝座采用彈支結(jié)構(gòu)(圖9)，同時在安裝襯套內(nèi)環(huán)開槽，與彈支外環(huán)形成擠壓油膜，進行減振。軸系中間安裝2套高速球軸承作為加載陪試軸承，傳遞徑向載荷。

1—試驗襯套；2—噴油嘴；3—彈支結(jié)構(gòu)；4—試驗軸承；5—擠壓油膜密封環(huán)；6—陪試軸承；7—加載活塞；8—加載襯套；9—試驗主軸

圖9 彈支結(jié)構(gòu)

3.2 試驗驗證

在同一臺試驗機上安裝相同型號的試驗軸承，并按相同試驗條件進行100 h耐久試驗(10個循環(huán))。試驗數(shù)據(jù)曲線如圖10～圖12所示，由圖可知，采用改進試驗方案后，試驗軸承在溫升、振動以及主機電流等參數(shù)上均優(yōu)于原方案，拆機檢查軸承及試驗工裝件均正常，從而順利完成了該型號軸承2套各1 500 h的耐久試驗，充分驗證了改進方案的可行性及有效性。

圖10 外圈溫度對比曲線

圖11 主機電流對比曲線

圖12 主機振動對比曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)三瓣波滾子軸承的試驗故障及失效模式，分析得出故障原因為原試驗方案不能充分適應(yīng)帶有強迫激振源的三瓣波滾子軸承。提出彈支加擠壓油膜的改進試驗方案，通過試驗驗證了改進方案的可行性、有效性。