某型航空發動機四支點軸承安裝不到位問題分析

摘 要：針對某型航空發動機裝配中出現的四支點軸承安裝不到位問題，進行了裝配結構分析和裝配工藝分析，提出了由于軸承安裝預緊力作用相對集中及軸承安裝邊剛性不足造成安裝邊變形，從而導致軸承安裝不到位的結論，并通過Abaqus仿真計算分析，證實了分析結果的正確性，并對此提出改進預防建議。

關鍵詞：航空發動機;軸承;安裝工藝;Abaqus;軸承預緊

軸承作為航空發動機的關鍵件之一，是在高速、高溫和受力復雜的條件下工作運轉，它的質量直接影響發動機的可靠性，而軸承安裝精度是影響軸承質量的重要因素。[1]四支點軸承裝配在高低壓轉子之間，為中介軸承，其安裝精度對發動機振動品質和穩定性影響更加敏感。軸承在工作時必須保證有確定的位置，以保證不發生軸向竄動和保持軸承工作的穩定性，因此在裝配過程中需要對軸承安裝進行檢測，并加以控制。

某型航空發動機四支點軸承出現過多次軸承內環軸向裝配不到位的情況，即軸承安裝后用塞尺檢查軸承與軸肩結合部位的間隙，要求0.03mm塞尺不應通過，實際檢測結果為，安裝邊兩個螺栓中間位置0.03mm塞尺能通過，安裝螺栓處0.03mm不能通過。對軸承、軸肩相關配合尺寸進行測量，尺寸均符合要求，排除了由于機件超差干涉，導致軸承、軸裝配不到位的情況。

1 裝配工藝分析

1.1 四支點軸承裝配結構

四支點軸承為異型內圈短圓柱滾子軸承，軸承內環采用雙圓柱面過盈配合定心，靠精密螺栓軸向拉近固定至軸肩，如圖1。四支點軸承具有軸向尺寸長、過盈配合面與軸肩定位面軸向距離大的特點。

依據圖紙設計尺寸，計算理論狀態下軸承與定位軸肩軸向間隙最大值為0.025mm，滿足軸承內環軸向裝配到位檢查的要求。

1.2 四支點軸承裝配工藝

四支點軸承與軸為過盈配合，配合緊度為0.065mm～0.089mm。由于軸承配合過盈量較大，因此采用加熱安裝的方法。[2]將軸承在加溫箱中加熱至165～175℃，使其內徑膨大，此時軸承與軸為間隙配合，將軸承內環安裝到軸上，迅速安裝工藝螺母，待軸承冷卻到室溫后，將螺母松開，重新按照十字交叉法擰緊螺母。

對于熱裝軸承，由于受加熱溫度的影響，軸承的安裝有一個熱脹冷縮的階段。計算由于溫差導致軸承以與低渦軸過盈配合面為基準產生軸向收縮。

ΔL=L·α·ΔT=0.11mm

為防止冷卻過程中軸承套圈和滾動體以及配合軸發生分離等情況，設計在冷卻過程中對軸承施加持續的軸向預緊操作。在四支點軸承裝配中，采用安裝10件與軸承連接螺栓配合的工藝螺母進行預緊，施加預緊力保證在冷卻過程中軸承內環與配合軸保持貼合狀態。預緊力作用面為螺栓與軸承安裝邊接觸面范圍。

根據過盈配合接觸壓力公式，[3]計算軸與軸承過盈配合產生的摩擦力。

F=Kr·E·e·μ·πD3·HD2-D3

得到軸與軸承過盈配合產生的摩擦力為F=531800N

軸承裝配預緊力與軸向摩擦力大小一致，方向相反，因此軸承裝配預緊力為：F′=F=531800N。

1.3 結論

通過分析可知，軸承裝配后的冷卻過程使軸承有一定的軸向收縮量，而熱裝裝配采用10個軸承安裝螺母進行預緊。軸承預緊力較大，且作用面積相對集中，同時軸承安裝邊為“花瓣形”結構，在一定程度上降低了安裝邊剛性。因此，熱脹冷縮過程中，軸承安裝邊產生變形，軸承與軸肩結合部位產生大于0.03mm的間隙。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

將軸承內環和軸的UG模型導入有限元軟件Abaqus中，并進行合理簡化。對軸承內環和軸進行網格劃分，采用四面體網格C3D4T，劃分單元數為155884。并根據材料屬性對模型進行設置。

2.2 邊界條件及載荷

根據軸承裝配過程，對模型進行約束。首先，選取一個端面對軸進行固定。軸承與軸過盈配合面A為約束Contact，二者有熱脹冷縮產生的相對運動。螺栓連接保證軸承在冷卻過程中，與軸之間無軸向相對運動，因此使用約束Tie模擬軸承與軸連接面B，約束作用面為螺栓與軸承內環接觸的“圓環形”面積。

模型初始溫度為：軸承165℃、軸25℃，最終溫度為：軸承25℃、軸25℃。

2.3 計算結果及分析

計算冷卻后軸承安裝邊與軸肩的軸向相對位移，即二者軸向間隙，結果如圖4，軸承安裝邊兩兩螺栓安裝孔中間位置的變形量最大，約0.051mm，與軸承裝配不到位的問題現象基本吻合。結果表明，軸承加溫熱裝然后冷卻的過程中，發生軸向收縮變形，軸承與軸過盈配合處摩擦力與螺栓產生預緊力相互作用，最終軸承安裝邊產生變形，導致軸承不能安裝到位，與1.3節分析結論一致。

3 結論及展望

本文對四支點軸承安裝不到位問題進行分析，通過工藝分析、仿真計算，得到了以下結論：（1）由于軸承裝配預緊力施加集中和安裝邊剛性不足，導致安裝邊變形，從而貼合面有間隙產生，造成四支點軸承安裝不到位。（2）為預防問題的再次發生，建議從以下方面采取措施：改進軸承預緊工藝，設計專用軸承預緊工裝，增加預緊力作用面積;提高軸承安裝邊剛性。

參考文獻：

[1]曹艷，張偉，周平.航空發動機軸承安裝工藝研究[J].航空科學技術，2014，25（04）：46-49.

[2]劉澤九.滾動軸承應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2007：611-656.

[3]蔡凡，李初曄，馬巖.過盈配合產生的接觸壓力和拔出力計算[J].機械設計與制造，2010（10）：7-9.

[4]陸朝.軸承的預緊淺探[J].石河子科技，2009（1）：29-30.

[5]王文斌.機械設計手冊（第3卷）[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：孫慧潔（1989-），女，山東濟南人，工程師，主要研究方向：航空發動機裝配工藝。