某型航空發動機軸承環下潤滑結構試驗

林碧華，李強，滿維偉

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002)

隨著航空發動機主軸軸承的dn值越來越高，軸承各運動副之間因摩擦產生更多的熱量，對軸承的潤滑設計提出了更大挑戰。目前航空發動機主軸軸承的潤滑方式主要有環下潤滑和噴射潤滑[1]，環下潤滑比噴射潤滑更適合高轉速和工作時產生較多熱量的軸承，在高dn值的航空發動機主軸軸承潤滑中被廣泛使用。

根據集油方式的不同，環下潤滑結構可分為軸向集油和徑向集油[2-3]。軸向集油是指潤滑油通過軸向集油結構將潤滑油輸送到軸承；徑向集油是指潤滑油通過徑向集油環收集潤滑油，然后輸送到軸承。

文獻[4]采用數值方法對環下潤滑軸承性能的影響因素進行了研究，但缺乏試驗驗證；文獻[5]主要針對某渦軸發動機環下潤滑結構的集油效率進行研究，并未驗證該結構對軸承的潤滑、冷卻效果。本文針對某航空發動機軸承軸向集油環下潤滑結構對軸承實際潤滑、冷卻效果開展了試驗。

1 試驗

1.1 試驗原理

試驗在專用高速軸承試驗機(圖1)上進行。該試驗機由試驗轉接裝置、膜盤聯軸器、增速器、電動機、安裝座和平臺等組成。試驗機的主要工作原理是電動機通過減速器減速后，帶動試驗轉接裝置旋轉，達到試驗所需的轉速。

1—平臺；2—主電動機；3—疊片聯軸器；4—增速器；5—膜盤聯軸器；6—試驗轉接裝置；7—安裝座圖1 專用高速軸承試驗機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of special high speed bearing tester

1.2 試驗方案

試驗轉接裝置的結構示意圖如圖2所示,試驗轉接裝置主要由試驗軸、試驗軸承、陪試軸承、軸向集油環、噴嘴以及其他相關附件組成。試驗軸承參數見表1。

1—試驗軸承；2—噴嘴；3—軸向集油環;4—試驗軸；5—陪試軸承；6—徑向加載軸承圖2 試驗轉接裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of test transfer device

表1 試驗軸承參數Tab.1 Parameters of test bearing

潤滑油從噴嘴噴出，通過軸向集油環收集后由軸上的油路輸送到軸承中，環下潤滑試驗結構如圖3所示。

圖3 環下潤滑試驗結構Fig.3 Test for under-race lubrication structure

本試驗主要研究軸向集油環相對軸的位置對軸承潤滑、冷卻效果的影響，設計了2種方案:

1)試驗軸R3圓心位置在軸向集油環端面的外側，距離為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 方案1的結構示意圖Fig.4 Structure diagram of scheme 1

2)試驗軸R3圓心位置在軸向集油環端面的內側，距離2.27 mm，如圖5所示。

圖5 方案2的結構示意圖Fig.5 Structure diagram of scheme 2

1.3 測試參數

試驗中的測試參數見表2，測試位置均在外圈軸承座處。

表2 測試參數及精度要求Tab.2 Test parameters and accuracy requirements

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

采用方案1時，試驗在軸向載荷3 600 N、徑向載荷700 N、轉速15 000 r/min的條件下運行了46 s，軸承溫度接近150 ℃，且溫度有繼續上升的趨勢，轉速下降過程中，軸承溫度繼續上升，隨即出現抱軸現象。

分解試驗轉接裝置，發現試驗軸承(圖6)已損壞。目視檢查發現軸承內外圈溝道磨損嚴重，溝道表面可見一層顏色明顯不均的磨損黏附物；內圈局部變色，內圈溝道靠近油孔側擋邊位置(油孔位置附近)可見明顯的磨損痕跡，內圈溝道局部可見周向磨損；保持架內圓面上局部可見磨損痕跡；鋼球磨損嚴重，整體磨損較均勻。

圖6 試驗后軸承零件照片Fig.6 Photograph of bearing parts after test

對故障軸承進行體視鏡檢查，軸承磨損情況如圖7所示：外圈溝道可見大量帶有變色且分布較均勻的黏附物；鋼球燒傷磨損均勻且嚴重，呈黑灰色；內圈溝道可見大量帶有變色且分布較均勻的黏附物；個別油孔內可見異物，貼合面變色相對嚴重，貼合面上的油槽內可見擠壓流變堆積的金屬物，溝道側內孔位置附近的擋邊周向可見磨損痕跡。

圖7 試驗后軸承零件的外觀形貌Fig.7 Appearance of bearing parts after test

方案2與方案1的試驗條件相同，試驗轉速順利推到22 000 r/min，試驗過程中軸承溫度和箱體振動變化平穩，軸承未出現由于潤滑不良而失效的情況。

2種方案的軸承溫度和箱體振動如圖8所示，圖中g為重力加速度。

圖8 2種方案軸承溫度和箱體振動對比Fig.8 Comparison of bearing temperature and casing vibration of two schemes

2.2 結果分析

對方案1中故障軸承的檢查發現，故障軸承出現內外圈溝道起皮和鋼球變色現象，其他接觸痕跡和工作位置等與試驗方案載荷和轉速施加預期位置一致，保持架無異常接觸痕跡和亮帶，工作痕跡正常。據此可判斷試驗軸承在工作過程中狀態正常，起皮、磨損和顏色變化與潤滑不足有關，可判定試驗軸承在正常承載的高速工作過程中由于潤滑不良產生表面損傷，致使失效。而在方案2的試驗中，軸承未出現由于潤滑不良而失效的現象，說明方案2的結構能夠滿足軸承使用要求。由圖8可知，在相同條件下方案1中軸承溫度和振動明顯高于方案2，側面驗證這一結論。

2種方案中,潤滑油入射點的位置和集油腔空間有明顯的區別(圖9)。軸向集油環與軸的相對位置主要影響潤滑油入射點位置和集油腔空間。潤滑油入射點位置不合適可能導致潤滑油入射到軸上后反射到軸向集油環擋油壩上或者集油環外面，到達軸承的油將會很少；集油腔空間不夠可能導致潤滑油從左側跑出，而不是按照既定設計到達軸承。

圖9 2種方案的結構對比示意圖Fig.9 Diagram of structural comparison between two schemes

假設潤滑油噴射到軸上的位置不變，由于軸向集油環位置的變化，方案1中潤滑油入射到軸上后反射到軸向集油環擋油壩上或者集油環外面，到達軸承的油將很少；方案2中潤滑油入射點已在集油腔內，則只要潤滑油噴進擋油壩，且集油腔的空間變大，可集油量變多，其從集油環左側跑掉的可能性變低，絕大多數潤滑油可根據既定油路設計進入軸承。因此，方案1對潤滑油入射點的位置和角度有較嚴格的要求。

3 結束語

對某型航空發動機車軸軸承環下潤滑結構的試驗研究表明，軸承環下潤滑結構雖然有較高的集油效率，但對集油結構設計要求較高，在實際應用時應在結構空間允許的情況下盡量使潤滑油入射點在集油腔內，以使潤滑效率和潤滑可靠性更高。