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重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

航空發動機作為飛機的動力系統，其可靠性是飛機安全飛行的重要保障。發動機主軸軸承作為復雜軸系的關鍵部件，直接影響發動機的可靠性、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，傳統結構的圓柱滾子軸承已不能滿足發動機的性能要求[4]，為防止高速輕載打滑，后支點軸承采用三瓣波形滾道。由于其結構特殊(三瓣波形滾道、薄壁)、轉速較高(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 軸承參數及試驗條件

試驗軸承為2套，試驗軸承及其外圈滾道結構分別如圖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，內圈無擋邊，保持架外引導。外圈固定，內圈旋轉；采用航空潤滑油4050實現噴油潤滑，供油溫度80 ℃；最高試驗轉速45 000 r/min；徑向載荷228～1 388 N；試驗時間1 500 h。

圖1 試驗軸承結構

圖2 三瓣波形滾道

1.2 試驗設備

試驗在高溫高速型軸承試驗機上進行，其主體為簡支梁結構，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軸器與試驗主軸的軸伸端相連，輸出試驗要求轉速；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軸承出現異常，試驗機報警停機，此時各項試驗參數均出現較大異常波動，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較大異常聲。

停機后手動轉動主軸，卡滯嚴重。檢查發現試驗襯套發生了偏斜(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。分解試驗軸承發現，滾子部分變形(圖6)，內圈滾道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，導致軸承在運轉過程中發生偏擺或軸向竄動，發生偏磨。另一方面，由于軸承外圈采用三瓣波形滾道，其不規則滾道形式雖能防止軸承出現輕載打滑，但工作中三瓣波頂點成為軸承的強迫激振源[5]，加劇了軸承運轉的偏擺和竄動(尤其在變速、變載的狀態轉換過程中)，進而導致軸運轉失穩，出現異常磨損、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構，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，導致軸承運轉不穩定。

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振動特性，模擬軸承在發動機上彈支的安裝結構形式，進行減振。

改進后的試驗方案如圖8所示，仍采用簡支梁結構，試驗軸承位于軸系的支點端。軸承安裝座采用彈支結構(圖9)，同時在安裝襯套內環開槽，與彈支外環形成擠壓油膜，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—彈支結構；4—試驗軸承；5—擠壓油膜密封環；6—陪試軸承；7—加載活塞；8—加載襯套；9—試驗主軸

圖9 彈支結構

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)。試驗數據曲線如圖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上均優于原方案，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 結束語

根據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。