帶有彈支結構的航空發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)

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

1 試驗方案

1.1 彈支結構介紹

航空發動機的轉速較高，某些小型航空發動機的轉速高達40000～50000r/min。軸系設計時需校核臨界轉速，以有效避開發動機的工作轉速，防止共振。常規方法對轉子結構進行合理設計，如改變截面尺寸及支點距離等。某航空發動機采用彈性支承加擠壓油膜阻尼的支承結構[2]形式。彈支結構用于降低支承部位的剛性，調整轉子系統的臨界轉速。試驗軸承處的彈支結構如圖1所示，彈支結構為鼠籠式結構，鼠籠條的長度、數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動機軸承保持一致。擠壓油膜阻尼結構主要用于降低轉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有關，相關參數均與發動機軸承的實際設計值保持一致。

圖1 彈性支承結構示意圖

1.2 試驗方案

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

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

1.3 試驗頭

試驗機采用橋式結構，試驗軸承放置于一側支點處，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。

試驗頭結構如圖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緊，提高軸承的剛度。試驗軸通過聯軸節與高速電主軸相連，提供試驗軸承所需的轉速。徑向加載組件為軸中間的2套角接觸球軸承施加徑向力，根據力平衡原理得到試驗軸承承受的載荷。

圖2 試驗頭結構示意圖

1.4 試驗軸校核

試驗軸是整個試驗系統的受載部件及關鍵旋轉件，其結構強度及剛度、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性。為避免試驗軸在運轉中產生共振，其工作轉速不能與一階臨界轉速接近，也不能是一階臨界轉速的簡單倍數或分數[4]。因此，需對試驗軸的強度、剛度及一階臨界轉速進行校核，可采用常規的理論計算或進行有限元分析，在此不作闡述。

2 性能試驗

根據性能試驗的載荷、轉速、供油壓力及潤滑油溫度要求(供油溫度100 ℃)，對試驗軸承進行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 ℃內波動，主機振動在10～30 m/s2內波動。主要與轉速及載荷的變化有關，隨著轉速及載荷的變大，軸承溫度升高，變載變速時，主機振動隨之變化，屬于正常現象。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，內外圈均正常，各滾子也沒有出現異常，滾子與內圈接觸的痕跡清晰且滾道居中。另外，內外徑尺寸、徑向游隙等試驗后的檢測結果表明，試驗軸承無異常變化。

圖4 試驗軸承滾子的外觀

3 結束語

彈性支承及油膜阻尼的結構是發動機中用于降低振動的結構方式之一，介紹了對帶有彈性支承及油膜阻尼的結構的試驗軸承的試驗方案，并進行50 h性能試驗，試驗過程中監測試驗軸承的溫度及主體振動，試驗后對軸承的相關尺寸進行檢測，這些指標均無異常變化，驗證了該帶有彈性支承及油膜阻尼的結構的試驗軸承順利通過50 h性能試驗。