帶有彈支結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動機軸承性能試驗研究

鐵曉艷，谷運龍，吳易明，王健，李斑虎

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

航空發(fā)動機工作時，轉(zhuǎn)子的振動通過支承結(jié)構(gòu)傳遞給機匣，對發(fā)動機的正常工作產(chǎn)生不利影響。除了合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)及減小轉(zhuǎn)子不平衡量等方法，通過應(yīng)用彈性支承加擠壓油膜阻尼的支承方式可有效降低發(fā)動機振動[1]，該方式需要對彈性支承結(jié)構(gòu)的剛度及擠壓油膜的阻尼比等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計。為驗證某帶有彈支及油膜阻尼結(jié)構(gòu)是否能夠滿足發(fā)動機的使用要求，需對其進(jìn)行性能試驗。

1 試驗方案

1.1 彈支結(jié)構(gòu)介紹

航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速較高，某些小型航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速高達(dá)40000～50000r/min。軸系設(shè)計時需校核臨界轉(zhuǎn)速，以有效避開發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速，防止共振。常規(guī)方法對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，如改變截面尺寸及支點距離等。某航空發(fā)動機采用彈性支承加擠壓油膜阻尼的支承結(jié)構(gòu)[2]形式。彈支結(jié)構(gòu)用于降低支承部位的剛性，調(diào)整轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。試驗軸承處的彈支結(jié)構(gòu)如圖1所示，彈支結(jié)構(gòu)為鼠籠式結(jié)構(gòu)，鼠籠條的長度、數(shù)目及籠條的截面積影響彈支的靜剛度[3]。鼠籠彈支剛度為

K=(zEb2h2)/l3，

式中：z，l，b，h分別為鼠籠條的數(shù)目、長、寬、高；E為材料的彈性模量。試驗軸承所用材料、尺寸精度及剛度值與發(fā)動機軸承保持一致。擠壓油膜阻尼結(jié)構(gòu)主要用于降低轉(zhuǎn)子振動引起的支反力。油膜阻尼主要與阻尼腔的長度、直徑、半徑間隙及壓力等參數(shù)有關(guān)，相關(guān)參數(shù)均與發(fā)動機軸承的實際設(shè)計值保持一致。

圖1 彈性支承結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗方案

試驗系統(tǒng)由試驗主體部件、試驗頭、潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電主軸驅(qū)動及冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及控制軟件系統(tǒng)等組成。

被測軸承安裝于試驗主體部件的試驗頭工裝內(nèi)，電主軸使用聯(lián)軸器與試驗軸系相連并可通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速，冷卻系統(tǒng)可為驅(qū)動電主軸提供循環(huán)水冷卻；液壓加載系統(tǒng)向被測軸承施加載荷；潤滑系統(tǒng)為被測軸承以及陪試軸承提供正常運轉(zhuǎn)所需的潤滑油，包括控制潤滑油的溫度及壓力；電氣控制與控制軟件系統(tǒng)對試驗機的各個測試參數(shù)進(jìn)行實時控制與監(jiān)測，包括電主軸的轉(zhuǎn)速、電流，被試軸承及陪試軸承的外圈溫度，潤滑系統(tǒng)的壓力及供油溫度等。

1.3 試驗頭

試驗機采用橋式結(jié)構(gòu)，試驗軸承放置于一側(cè)支點處，中間加載部位及另一支點處各采用2套三點角接觸球軸承，用于承受載荷及軸向定位。

試驗頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用彈性支承將試驗軸承外圈固定，彈性支承則通過螺釘固定在左外襯套上。擠壓油膜阻尼器管道提供用于減振的阻尼油路。4套角接觸球軸承兩兩組對，分別位于軸中間及另一支點處，2套角接觸球軸承之間用彈簧預(yù)緊，提高軸承的剛度。試驗軸通過聯(lián)軸節(jié)與高速電主軸相連，提供試驗軸承所需的轉(zhuǎn)速。徑向加載組件為軸中間的2套角接觸球軸承施加徑向力，根據(jù)力平衡原理得到試驗軸承承受的載荷。

圖2 試驗頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 試驗軸校核

試驗軸是整個試驗系統(tǒng)的受載部件及關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)件，其結(jié)構(gòu)強度及剛度、表面及尺寸精度、熱處理工藝、動平衡量等因素直接影響試驗軸系的承載能力及運行過程中的平穩(wěn)性。為避免試驗軸在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生共振，其工作轉(zhuǎn)速不能與一階臨界轉(zhuǎn)速接近，也不能是一階臨界轉(zhuǎn)速的簡單倍數(shù)或分?jǐn)?shù)[4]。因此，需對試驗軸的強度、剛度及一階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核，可采用常規(guī)的理論計算或進(jìn)行有限元分析，在此不作闡述。

2 性能試驗

根據(jù)性能試驗的載荷、轉(zhuǎn)速、供油壓力及潤滑油溫度要求(供油溫度100 ℃)，對試驗軸承進(jìn)行50 h的性能試驗。試驗軸承溫度、振動曲線如圖3所示。

圖3 試驗軸承溫度及振動曲線

試驗軸承在50 h性能試驗過程中，溫度在120～160 ℃內(nèi)波動，主機振動在10～30 m/s2內(nèi)波動。主要與轉(zhuǎn)速及載荷的變化有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速及載荷的變大，軸承溫度升高，變載變速時，主機振動隨之變化，屬于正?，F(xiàn)象。整個試驗過程中，溫度及主機振動無異常變化。

50 h性能試驗后試驗軸承如圖4所示，內(nèi)外圈均正常，各滾子也沒有出現(xiàn)異常，滾子與內(nèi)圈接觸的痕跡清晰且滾道居中。另外，內(nèi)外徑尺寸、徑向游隙等試驗后的檢測結(jié)果表明，試驗軸承無異常變化。

圖4 試驗軸承滾子的外觀

3 結(jié)束語

彈性支承及油膜阻尼的結(jié)構(gòu)是發(fā)動機中用于降低振動的結(jié)構(gòu)方式之一，介紹了對帶有彈性支承及油膜阻尼的結(jié)構(gòu)的試驗軸承的試驗方案，并進(jìn)行50 h性能試驗，試驗過程中監(jiān)測試驗軸承的溫度及主體振動，試驗后對軸承的相關(guān)尺寸進(jìn)行檢測，這些指標(biāo)均無異常變化，驗證了該帶有彈性支承及油膜阻尼的結(jié)構(gòu)的試驗軸承順利通過50 h性能試驗。