三瓣波滾子軸承試驗(yàn)方案的分析與改進(jìn)

張金煥，王健，張同賀，谷運(yùn)龍

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，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.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，其可靠性是飛機(jī)安全飛行的重要保障。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承作為復(fù)雜軸系的關(guān)鍵部件，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、壽命和安全性。因此，需要對(duì)軸承進(jìn)行性能壽命試驗(yàn)[1-3]。

某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪主軸后支點(diǎn)圓柱滾子軸承具有高溫、高速、輕載的使用特點(diǎn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圓柱滾子軸承已不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求[4]，為防止高速輕載打滑，后支點(diǎn)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(yàn)難度較大，在進(jìn)行1 500 h耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，軸承出現(xiàn)故障，報(bào)警停機(jī)。

下文針對(duì)試驗(yàn)軸承的故障模式及原因等方面進(jìn)行綜合分析，對(duì)原試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

1 試驗(yàn)

1.1 軸承參數(shù)及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)軸承為2套，試驗(yàn)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(wú)擋邊，保持架外引導(dǎo)。外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)；采用航空潤(rùn)滑油4050實(shí)現(xiàn)噴油潤(rùn)滑，供油溫度80 ℃；最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速45 000 r/min；徑向載荷228～1 388 N；試驗(yàn)時(shí)間1 500 h。

圖1 試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)

圖2 三瓣波形滾道

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

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

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

2 故障分析

2.1 故障模式

試驗(yàn)進(jìn)行至319 h軸承出現(xiàn)異常，試驗(yàn)機(jī)報(bào)警停機(jī)，此時(shí)各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)均出現(xiàn)較大異常波動(dòng)，其中：外圈溫度升高約11 ℃，主機(jī)電流增大約15 A，主體振動(dòng)增大2g(g為重力加速度)，同時(shí)在停機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)較大異常聲。

停機(jī)后手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，卡滯嚴(yán)重。檢查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)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(yàn)軸承下方有少許脫落的金屬屑。分解試驗(yàn)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(gè)圓周磨損嚴(yán)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(yàn)軸承外圈組件的中間襯套發(fā)生偏斜、定位銷折彎，說(shuō)明試驗(yàn)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(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生偏擺或軸向竄動(dòng)，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(diǎn)成為軸承的強(qiáng)迫激振源[5]，加劇了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的偏擺和竄動(dòng)(尤其在變速、變載的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中)，進(jìn)而導(dǎo)致軸運(yùn)轉(zhuǎn)失穩(wěn)，出現(xiàn)異常磨損、溫升和振動(dòng)，且主機(jī)電流增大，最終報(bào)警停機(jī)。

試驗(yàn)機(jī)主體為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，為施加徑向力，中間試驗(yàn)襯套采用浮動(dòng)式安裝，依靠加載活塞的球頭與襯套V形槽定位，但帶有強(qiáng)迫激振源的三瓣波滾子軸承不能充分適應(yīng)，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

3 改進(jìn)試驗(yàn)

3.1 改進(jìn)方案

針對(duì)上述故障模式及失效原因采取了以下改進(jìn)措施及方案：

1)將試驗(yàn)軸承由中間懸浮位置改為支點(diǎn)固定端位置，更接近軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝工況，同時(shí)避免了試驗(yàn)過(guò)程中由于襯套定位不可靠對(duì)試驗(yàn)的影響。

2)針對(duì)該三瓣波滾子軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，模擬軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上彈支的安裝結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行減振。

改進(jìn)后的試驗(yàn)方案如圖8所示，仍采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)軸承位于軸系的支點(diǎn)端。軸承安裝座采用彈支結(jié)構(gòu)(圖9)，同時(shí)在安裝襯套內(nèi)環(huán)開(kāi)槽，與彈支外環(huán)形成擠壓油膜，進(jìn)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(yàn)襯套；2—噴油嘴；3—彈支結(jié)構(gòu)；4—試驗(yàn)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(yàn)主軸

圖9 彈支結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上安裝相同型號(hào)的試驗(yàn)軸承，并按相同試驗(yàn)條件進(jìn)行100 h耐久試驗(yàn)(10個(gè)循環(huán))。試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖10～圖12所示，由圖可知，采用改進(jìn)試驗(yàn)方案后，試驗(yàn)軸承在溫升、振動(dòng)以及主機(jī)電流等參數(shù)上均優(yōu)于原方案，拆機(jī)檢查軸承及試驗(yàn)工裝件均正常，從而順利完成了該型號(hào)軸承2套各1 500 h的耐久試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性及有效性。

圖10 外圈溫度對(duì)比曲線

圖11 主機(jī)電流對(duì)比曲線

圖12 主機(jī)振動(dòng)對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)三瓣波滾子軸承的試驗(yàn)故障及失效模式，分析得出故障原因?yàn)樵囼?yàn)方案不能充分適應(yīng)帶有強(qiáng)迫激振源的三瓣波滾子軸承。提出彈支加擠壓油膜的改進(jìn)試驗(yàn)方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性、有效性。