航空發動機傳動裝置球軸承保持架引導間隙對保持架磨損影響研究

中國航發成都發動機有限公司 四川 成都 610503

概述

滾動軸承廣泛應用于航空發動機傳動裝置,起支撐、定位、傳遞載荷的作用,其性能、壽命、可靠性、安全性直接影響航空發動機傳動裝置能否正常工作。隨著航空發動機的發展,傳動裝置轉速和功率提取越來越高,對球軸承工作穩定性要求越來越高。預防軸承工作異常導致的安全事故已成為航空發動機設計、生產、制造的重點工作。

軸承保持架與外圈之間的引導間隙是滾動軸承的重要設計參數之一,保持架引導間隙設計不合理時,影響軸承保持架的運動軌跡和穩定性,容易引起保持架和滾動體、保持架和引導套圈的碰撞及摩擦力迅速增加,造成保持架引導面異常磨損,進而影響軸承工作穩定性和壽命。本文通過對航空發動機軸承保持架引導面異常磨損問題研究,確定保持架引導間隙對軸承工作穩定性的影響,對滾動軸承保持架參數的設計與優化具有重要的意義。

1 問題分析

1.1 故障簡介 發動機地面試車過程中發現滑油系統油濾存在黃色金屬屑末,經分析成分其主要為Cu和Zn,并含有少量Pb,經多次更換滑油和驗證試車,金屬屑無減少趨勢,進一步化驗后確定金屬屑主要成分為HPb59-1,該材料主要用于航空發動機傳動裝置球軸承保持架。對發動機傳動裝置分解檢查,發現裝配于前傳動機匣中的2件球軸承保持架外徑面磨損,將軸承外環剖切后發現保持架引導面磨損嚴重,具體情況見圖1。

圖1 軸承損傷形貌

1.2 工況簡介 故障軸承內圈與齒輪軸過盈配合,外圈與軸套間隙配合,工作過程中軸承內、外圈同時轉動,轉動方向相同,發動機額定狀態時,內圈轉速10748r/min,外圈轉速3614 r/min,工作中所承受的力主要來源于齒輪嚙合時產生的軸向力和徑向力,徑向載荷≯160N,軸向載荷≯31N。

1.3 理化分析 對故障軸承剖切,從宏觀觀察、能譜分析、金相觀察、硬度測試等幾方面進行理化分析,得出結論如下:

(1)軸承失效原因為保持架引導面異常磨損導致。

(2)軸承金相組織正常。

(3)軸承外圈軌道面、珠子表面、保持架磨損面顯微硬度無明顯梯度變化,均符合標準要求。

(4)軸承各部位未見因潤滑不足導致的燒傷特征。

(5)保持架引導面出現磨損的原因可能是在某種工作狀態下,外圈的內圓擋邊和保持架引導邊局部間隙消失,出現接觸,兩者在相對轉動下出現磨損。

1.4 原因分析

1.4.1 振動分析 故障型號軸承共10個鋼球,使用COBRA軟件計算軸承在工作轉速下保持架的坎貝爾圖,僅考慮軸承有10個鋼球對保持架的沖擊頻率時,假設轉動頻率為1,則鋼球對保持架的激振力頻率為10。從坎貝爾圖中可以看出,在給定計算條件下,保持架在軸承工作轉速范圍內不會發生共振,可排除振動因素導致軸承保持架引導面異常磨損。

1.4.2 尺寸測量 根據故障現象和理化分析結果,查找保持架引導面與軸承外環異常接觸的原因。因發動機已通過長試考核并大量裝配試車,通過剖切同工況、同型號無故障軸承進行對比,發現發生保持架引導面異常磨損的2件軸承引導間隙偏向設計值下限(具體情況見表1),可能在發動機某種工況下使保持架和軸承外環異常接觸,產生碰撞及摩擦力從而產生磨損;其余無故障軸承引導間隙分布在設計范圍中值或上限區域。

表1 不同軸承引導間隙對比

1.5 仿真分析驗證 為研究引導間隙對保持架運轉平穩性的影響,應用多體動力學軟件,模擬軸承實際工作時的轉速、載荷等工況,在其他參數不變的情況下,得到不同引導間隙下軸承保持架質心運動軌跡,見表2。

表2 不同軸承引導間隙對比

仿真試驗結果顯示,當引導間隙0.3mm時,保持架運動軌跡發散,穩定性差;隨著引導間隙的增大,達到0.4mm,保持架運動軌跡逐漸收斂,趨于平穩;當引導間隙達到0.5mm時,保持架運動軌跡發散,穩定性變差。

結合表1中故障軸承和正常軸承引導間隙實測值進行分析,原軸承設計的保持架引導間隙(0.3～0.45)mm存在設計范圍偏大的問題,當引導間隙偏下限時,保持架運動穩定性差,頻繁與軸承外圈接觸,使碰撞及摩擦力迅速增加,硬度較低的黃銅保持架發生異常磨損。

1.6 裝機試車驗證 選取保持架引導間隙在(0.4～0.45)mm范圍內的新品軸承,裝配在傳動裝置上隨發動機進行了驗證試車,試車過程中監控發動機振動,對滑油進行光譜分析和磨粒度檢測,均未見異常;試車后分解檢查,軸承外觀、轉動靈活性、成品檢測尺寸均合格。目前調整引導間隙的新品軸承,共計60余套,隨30臺以上發動機進行試車驗證,總試車時間達600h,均未發現異常。

2 結論及建議

本次故障與軸承保持架引導間隙設計值范圍不合理有關,合適的保持架引導間隙有利于保持架運動軌跡收斂,使保持架運動平穩,偏大或偏小的引導間隙,均會使軸承保持架運動軌跡發散,運動穩定性差。

在滾動軸承設計時,選取合理的引導間隙,對提高軸承的工作穩定性和壽命具有重要的意義:采用多體動力學仿真軟件,模擬軸承實際工作時的轉速、載荷等工況,得到不同引導間隙下軸承保持架質心運動軌跡,選擇保持架運動軌跡收斂,運動平穩的合適區間,結合軸承試驗器試驗,對優化區間內不同引導間隙的軸承進行試驗,通過試驗后保持架引導面的磨痕狀態,進一步優化引導間隙設計區間,可有效提升軸承工作穩定性和壽命。