具有模擬轉子的航空軸承試驗技術研究

顏家森，滿維偉，楊兵華,2，賀鳳祥，王杏

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.直升機傳動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002)

隨著航空發動機向著高功重比，高可靠性，視情維修等方向發展，對主軸軸承提出了集成化、長壽命和高可靠性的要求[1]。通過試驗提前暴露軸承在設計、材料、加工等方面的缺陷是提升主軸軸承性能的關鍵技術。目前，航空發動機主軸軸承試驗機的試驗軸系多為剛性轉子[2]，而航空發動機高壓轉子為雙柔性支承結構，在工作轉速區間內，轉子會跨多階臨界轉速[3-4]。傳統的剛性轉子結構不能模擬跨臨界轉速時轉子動力學響應對軸承性能的影響，因此，研究帶模擬轉子的軸承試驗方法，獲取與發動機真實轉子一致的動力學響應十分必要。

1 試驗方案設計

1.1 試驗軸承

以某發動機燃氣發生器轉子為研究對象，該轉子前支點軸承為1套外圈集成彈性支承的雙半內圈三點角接觸球軸承，后支點軸承為1套外圈集成彈性支承的圓柱滾子軸承。軸承的三維模型如圖1所示，技術參數見表1。

圖1 試驗軸承的三維模型

表1 試驗軸承的技術參數

1.2 試驗方案

所設計的帶模擬轉子的試驗方案如圖2所示。為最大限度地模擬發動機真實轉子的動力學特性，設計的模擬轉子在軸承的布局、安裝配合、支承形式，轉子的質量、動不平衡位置及動不平衡量、臨界轉速、振型、油膜厚度及封嚴方式，彈性支承剛度等參數與發動機真實轉子保持一致。經振動響應計算[5]，發動機轉子的臨界轉速計算結果見表2，發動機轉子與模擬轉子的振型對比如圖3所示。

1—軸承座；2—前支點軸承；3—模擬轉子；4—軸向力測量裝置；5—箱體；6—位移測量裝置；7—后支點軸承；8—軸向力加載腔；9—加載盤

表2 模擬轉子與發動機轉子臨界轉速的計算結果

圖3 發動機轉子與模擬轉子的振型圖

如圖4所示，前、后支點軸承均采用與發動機相同的徑向集油環環下潤滑結構，前、后軸承座上各設計2條油路，一路為軸承提供潤滑油,另一路供到外圈配合面以形成油膜阻尼。在設計上保證軸承的潤滑形式、潤滑油流量及外圈油膜厚度與發動機實際工況一致。

圖4 前、后支點軸承潤滑簡圖

前支點軸承承受徑向載荷和軸向載荷，后支點軸承承受徑向載荷。為模擬發動機真實的徑向載荷，設計的模擬轉子質量與真實轉子相當，模擬轉子在與發動機真實轉子相同部位(圖2中的面1和面2)進行等平衡精度的動平衡，模擬發動機臺架狀態下的徑向載荷。在模擬轉子后端設計有加載盤，通過調節加載盤與機匣之間腔體內空氣的壓力來調節軸向力的大小。

試驗前需進行軸向力的實測標定：在正式試驗前將前支點軸承分解為常規結構的角接觸球軸承和彈性支承2個零件，在外圈端面與彈性支承端面之間增加1個彈性測力環[6]，利用彈性測力環的應變片變形表征軸向力的大小；在標定完空氣壓力后將前支點軸承更換為帶彈性支承的雙半內圈角接觸球軸承開展試驗。

模擬轉子連同軸承座安裝在試驗箱體上，試驗箱體前、后端各安裝2個振動傳感器，用于監測試驗過程中的振動情況。模擬轉子采用膜盤聯軸器與試驗機的增速器輸出軸相連，增速器由變頻電動機驅動，可實現無級調速，以滿足轉子的轉速要求。前、后支點軸承的外圈上焊接接觸式溫度傳感器，焊接點位于彈性支承與外圈的接觸區域，用于監測試驗過程中軸承的外圈溫度。

2 試驗程序

試驗前校核噴嘴流量，使潤滑油流量滿足軸承要求，調節潤滑壓力和供油溫度，使軸承潤滑條件與發動機一致。為驗證該試驗方案的可行性，主要開展轉速試驗。在相同的載荷、潤滑方式、潤滑油流量等條件下逐漸將轉速增加至某一規定值，觀察在轉速升高過程中模擬轉子的位移、試驗軸承的外圈溫度和箱體振動等參數的變化情況。

3 試驗結果

隨著模擬轉子試驗轉速的升高，其位移變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，隨著模擬轉子轉速的升高，轉子位移逐步增大。

圖5 轉子位移變化曲線圖

試驗過程中箱體的振動情況如圖6所示，從圖中可以看出，9 326 r/min為模擬轉子的1階臨界轉速，21 550 r/min為模擬轉子的2階臨界轉速，與發動機轉子設計值分別相差2.8%和4.1%，試驗結果與設計值基本一致。而且，隨著模擬轉子的轉速升高，轉接段的整體振動幅值增大，符合柔性轉子的特性。

圖6 箱體振動情況

試驗過程中前、后支點軸承外圈的溫度變化如圖7所示。從圖中可以看出，隨著模擬轉子轉速的升高，外圈溫度升高。

圖7 軸承外圈溫度變化

在模擬轉子跨臨界轉速時，由于轉子的不穩定性，前、后支點軸承的溫度存在一定的跳躍性，且后支點軸承受影響較大。具體數值見表3(表中數值為模擬轉子跨1階臨界和2階臨界轉速時軸承溫度的最低值、中間值和最高值)。由表可知，跨1階臨界轉速時，前、后支點軸承的溫度變化均較小；跨2階臨界轉速時，前支點軸承的溫度變化值為0.8 ℃，后支點軸承的溫度變化值為3.1 ℃，說明在2階臨界轉速時，轉子振動對球軸承(前支點軸承)的影響相對較小，對滾子軸承(后支點軸承)影響較大，可能是因為軸向力作用下球軸承工作穩定性優于滾子軸承的原因。

表3 跨臨界轉速時軸承溫度情況

4 結論

通過試驗方案設計和試驗驗證，可以得出以下結論：

1)設計的具有模擬轉子的軸承試驗方案能模擬發動機轉子的支承形式、動力學響應特性以及軸承的潤滑條件，可用于開展彈支結構軸承的試驗。

2)該試驗方案采用壓力空氣施加軸向載荷，能較好地模擬發動機臺架狀態下軸承的載荷工況，從而反映軸承在發動機上的工作狀態，為后續軸承的性能試驗及其他特性試驗奠定了基礎。

3)模擬轉子在跨臨界轉速時，由于轉子的不穩定性，對圓柱滾子軸承的工作性能有一定的影響。