軸承熱-力試驗器中等效軸承的設計

張功學，張 磊，文 峰

（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

1 引言

火箭發動機中液體火箭則可以重復性使用，經常用于輔佐航天器進行姿態調整[1-2]。在液體火箭發動機中，渦輪泵[3-7]的主要作用是給火箭發動機提供推進劑或者燃料，由于渦輪泵工作環境的特殊性，必須在高溫高壓下完成正常工作需求。作為火箭動力裝置系統中的重要組件，只有保證渦輪泵的正常穩定運行，才可以保證航天任務的圓滿完成，而在液體火箭發動機故障數據中，極大一部分原因都是因為渦輪泵出現各類問題。目前通過實時故障檢測技術支撐下可以及時發現，并通過采取相應的解決措施緩解故障問題造成的影響，減少故障產生造成渦輪泵的損壞，保證火箭發動機的正常工作。渦輪泵作為火箭發動機的核心部件，其高速旋轉特性是保證發動機運轉的核心功能。而軸承是實現高速旋轉的關鍵原件，然后由于高速旋轉的軸承具有大推力、高轉速、超低溫的工況特點，造成軸承在運轉過程中存在發烏、劃痕甚至是破損的危險情況。其本質原因是高速旋轉下的軸承發熱無法及時進行熱傳導，難于進行熱擴散。而由于軸承的超低溫工況特點，導致現有的試驗器難于進行數據檢測。軸承所處的工作環境極其復雜，不僅有軸承各零部件的摩擦產生的熱量擴散，還有與試驗器腔中的流體摩擦產生的熱量，在這種復雜的工況下，熱交換的研究更為復雜。基于這種無法實現數據實時有效監測的背景，本文將對軸承熱-力試驗器中等效軸承進行研究，為超低溫環境試驗臺的搭建提供經驗和依據[4]。

根據試驗器工作技術要求提出了等效軸承的概念，通過有限元分析的軟件建立了模型，并利用了仿真分析軟件對等效軸承進行了進一步的仿真分析，通過分析結果表明設計的結構尺寸可以滿足軸承等效的要求。

2 等效軸承設計及方案仿真分析

2.1 等效軸承結構理論模型設計

基于試驗器等效軸承結構的理論分析，試驗器軸承的滾動體個數進行孔的數量的確定和流動介質通過原有軸承縫隙時，會遇見內部旋轉球和保持架的阻擋。設計出如圖1所示的等效軸承結構，并進行仿真分析，從而判斷測試結構方案的可行性。

圖1 關鍵測試結構構型方案

2.2 等效軸承與原有軸承仿真對比

將等效部件分析得出的流場云圖結果與原有軸承的流場云圖結果進行對比，如圖2所示。

圖2 不同工況的有限元軸向截面圖

如圖2所示，分別在旋轉軸附近選取5個位置測點，5個位置測點的三維坐標分別為測點1（50，0，88）、測點2（150，0，88）、測點3（170，0，88）、測點4（200，0，88）、測點5（270，0，88），旋轉軸附近各個位置測點的流場合速度對比如表1所示。旋轉軸附近各個位置測點的流場合速度對比點線圖如圖3所示。

表1 旋轉軸附近各個位置測點的流場合速度比（單位：m/s）

圖3 旋轉軸附近各個位置測點的流場合速度對比點線圖

3 結論

通過對比分析圖2兩種方案的不同工況的有限元軸向截面圖可知，流動介質通過原有軸承和通過關鍵測試結構產生流場傳遞效果基本一致。分析表1和圖3旋轉軸附近各個位置的流場合速度可知，流速大小接近，軸承與等效部件產生的速度場相似，點線圖基本重合，可以證明其等效，可以獲得理想的合速度流場。