航空發(fā)動機(jī)軸承性能試驗中磁懸浮電動機(jī)失穩(wěn)現(xiàn)象分析

岳曉晶，劉廷武，李錕

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000)

作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，軸承性能的好壞直接影響航空發(fā)動機(jī)的使用可靠性，而隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的壽命、可靠性和技術(shù)性能要求越來越高，工作條件愈加苛刻[1]，因此，航空發(fā)動機(jī)主軸軸承在裝機(jī)前必須進(jìn)行嚴(yán)格的試驗檢驗。目前，軸承試驗機(jī)多采用高速電主軸或電動機(jī)和齒輪增速器作為驅(qū)動，用于模擬軸承在轉(zhuǎn)速、載荷、潤滑、環(huán)境溫度和裝配條件等不同工況下的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速、載荷及升降速率需根據(jù)試驗需求實時變化，復(fù)雜工況導(dǎo)致試驗時頻繁出現(xiàn)的電動機(jī)過流停車，升降速率不達(dá)標(biāo)等問題，對設(shè)備動力系統(tǒng)提出了更高要求。

近年來，隨著磁懸浮技術(shù)的進(jìn)步，以磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動機(jī)中的滾動軸承或氣浮軸承的磁懸浮電動機(jī)得到青睞。磁懸浮軸承具有無機(jī)械磨損、無需潤滑、電磁力可控、加速特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，可以降低因滑動摩擦造成的功率損失。相對于電主軸或電動機(jī)和齒輪增速器等動力裝置，磁懸浮電動機(jī)由于無需單獨(dú)的潤滑裝置，運(yùn)行效率高且維護(hù)方便(得益于軸承模塊化設(shè)計)，已廣泛應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)、離心式鼓風(fēng)機(jī)和真空泵等領(lǐng)域中。

某大尺寸軸承試驗機(jī)動力系統(tǒng)采用磁懸浮電動機(jī)取代傳統(tǒng)電主軸作為設(shè)備主要動力，針對其在軸承試驗時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的問題，從磁懸浮電動機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)開展研究，結(jié)合軸承試驗運(yùn)行工況進(jìn)行失穩(wěn)分析并提出改善措施。

1 軸承試驗背景

某型號航空發(fā)動機(jī)3#支點(diǎn)軸承耐久性試驗計劃在大尺寸軸承試驗機(jī)上進(jìn)行，如圖1所示，該試驗機(jī)采用磁懸浮電動機(jī)作為驅(qū)動，左支承軸承為三點(diǎn)角接觸球軸承(61822MS1)，右支承軸承為圓柱滾子軸承(1002926N)，可開展內(nèi)徑60～160 mm角接觸球軸承、深溝球軸承和圓柱滾子軸承的高dn值試驗(含打滑試驗)、耐久性試驗、斷油試驗以及壽命考核試驗。

圖1 試驗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of tester

軸承試驗機(jī)及其磁懸浮電動機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。為保證航空發(fā)動機(jī)軸承在安裝工藝等因素的影響下仍能達(dá)到預(yù)期運(yùn)行效果，每套軸承在正式試驗前需進(jìn)行在臺磨合試驗，磨合試驗后對潤滑油采樣檢測，合格后方可進(jìn)行正式試驗。磨合試驗工況見表2。

表1 軸承試驗機(jī)及其磁懸浮電動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

表2 磨合試驗工況Tab.2 Running-in test conditions

磨合試驗時，先對試驗軸承施加5 000 N的徑向載荷和4 800 N的軸向載荷，待載荷穩(wěn)定后啟動電動機(jī)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為9 900 r/min，隨著磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，其軸心位移逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 100 r/min附近時軸心位移(圖2)超出報警閾值，磁懸浮電動機(jī)失穩(wěn)停車，多次嘗試均發(fā)生此現(xiàn)象，導(dǎo)致磨合試驗無法正常開展。

圖2 電動機(jī)失穩(wěn)瞬間軸心位移圖Fig.2 Axis displacement diagram at the momentof motor instability

2 磁懸浮電動機(jī)失穩(wěn)分析

磁懸浮軸承的間隙遠(yuǎn)大于滾動軸承游隙，同時自身集成位移監(jiān)測控制系統(tǒng)，具備實時主動控制能力。當(dāng)磁懸浮電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受激勵頻率與自身某階固有頻率接近時，系統(tǒng)振幅顯著增大，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，破壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致運(yùn)行環(huán)境變差，可能引起失穩(wěn)。如果失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，而轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速受控制參數(shù)變化的影響很小，只能改變轉(zhuǎn)子本身的尺寸[4]。在無法改變電動機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，只能通過降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡離心力和不對中產(chǎn)生的激振力，試驗轉(zhuǎn)子在試驗前均在平衡機(jī)進(jìn)行了動平衡，其不平衡量小于5 g·mm，因此主要考慮不對中對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)安全和穩(wěn)定的影響。

2.1 轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

磁懸浮電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的離心力會使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)精度、剛度性能等受到嚴(yán)重威脅。隨著轉(zhuǎn)速的提高，質(zhì)量不平衡引起的激振力會在臨界轉(zhuǎn)速時達(dá)到最大振幅[4]。通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。

磁懸浮軸承的特性與電動機(jī)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)密切相關(guān)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、偏心、陀螺力矩、外部激勵等工況參數(shù)不斷改變，僅在單個電磁軸承上難以模擬出這些變量，因此采用Comsol仿真軟件建立磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)子模型，利用Comsol的多物理場分析能力求得磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子的耦合特性。該試驗機(jī)采用了C型八磁極的徑向磁懸浮軸承，其主要參數(shù)見表3，磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖3所示。

表3 磁懸浮軸承的主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of magnetic bearing

圖3 電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型Fig.3 Finite element model of motor rotor system

通過設(shè)定不同直徑的等截面梁單元離散轉(zhuǎn)子中的2處錐形梁，得到轉(zhuǎn)子有限元梁模型，其中節(jié)點(diǎn)56個，Timoshenko梁單元55個?？紤]耦合計算需在每一時間步計算電磁場、變形場等多個變量，因此控制徑向磁軸承有限元模型的網(wǎng)格數(shù)，生成網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 徑向磁軸承的網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid of radial magnetic bearing

模型建立完成后，可以通過升速響應(yīng)分析運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)何時跨越臨界轉(zhuǎn)速。由于該磁懸浮軸承的支承剛度相對于轉(zhuǎn)子剛度弱很多，轉(zhuǎn)子會有明顯的剛性臨界轉(zhuǎn)速，磁懸浮軸承處轉(zhuǎn)子升速振動特性曲線如圖5所示。

圖5 磁軸承處轉(zhuǎn)子升速振動特性曲線Fig.5 Rotor speed-up vibration characteristic curveat magnetic bearing

由圖5可知電動機(jī)在5 000 r/min附近出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)合圖2分析可知：電動機(jī)失穩(wěn)發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速附近，轉(zhuǎn)子位移迅速增大，超出了磁懸浮軸承的最大允許間隙，從而導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象。在無法改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的情況下，可通過改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中狀態(tài)對電動機(jī)的影響，確保電動機(jī)轉(zhuǎn)子在可接受的激振力水平下跨過一階臨界轉(zhuǎn)速，達(dá)到要求的試驗工況。

2.2 不對中分析

不對中是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常見的故障之一，常引起轉(zhuǎn)子振動加劇、軸承磨損、轉(zhuǎn)靜子碰摩等故障[5]。不對中分為轉(zhuǎn)子不對中和支承不對中兩類：轉(zhuǎn)子不對中涉及到要求同軸的多轉(zhuǎn)子，主要由安裝裝配或者使用過程中的相鄰轉(zhuǎn)子不同軸造成；支承不對中是指轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)軸心與支承中心線有偏離，不能重合，主要由軸承系統(tǒng)偏置造成。

2.2.1 轉(zhuǎn)子不對中

該軸承試驗機(jī)采用懸臂梁支承方式，試驗軸承安裝在懸臂端，直接承受加載系統(tǒng)施加的徑向載荷和軸向載荷。為保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子試驗時的同軸度，試驗前對磁懸浮電動機(jī)和試驗轉(zhuǎn)子進(jìn)行了安裝對中。首先，將磁懸浮軸承控制器通電，使電動機(jī)轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，在該狀態(tài)下按照電主軸對中方式對電動機(jī)和試驗轉(zhuǎn)子進(jìn)行對中，如圖6a所示。當(dāng)向試驗軸承施加徑向載荷后，該軸承下沉，試驗轉(zhuǎn)子將以右支承軸承為支點(diǎn)，轉(zhuǎn)子左端上浮，上浮量為左支承軸承徑向游隙，約0.06 mm，電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線形成明顯不對中狀態(tài)，如圖6b所示。

圖6 加載前、后電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子的對中情況Fig.6 Alignment of motor rotor and test rotor before and after loading

為保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子有相同的回轉(zhuǎn)軸心且軸線一致，在磁懸浮電動機(jī)處于懸浮狀態(tài)的同時，也應(yīng)對試驗轉(zhuǎn)子施加一定載荷使其處于加載狀態(tài)，保證試驗轉(zhuǎn)子狀態(tài)與試驗運(yùn)轉(zhuǎn)時一致。在該狀態(tài)下，通過調(diào)整電動機(jī)底座高度保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子傾斜方向與試驗轉(zhuǎn)子一致，調(diào)整后整個軸系狀態(tài)如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子軸系理想對中狀態(tài)Fig.7 Ideal alignment state of rotor shafting

2.2.2 支承不對中

軸承試驗機(jī)是典型的轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)，除了轉(zhuǎn)子不對中外，支承不對中也是造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的重要因素，滾動軸承非線性力是使轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)產(chǎn)生非線性振動現(xiàn)象的主要根源[6]。試驗軸承為某型角接觸球軸承，主要用于支承發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子，承擔(dān)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向載荷和徑向載荷，其中軸向載荷最大可至40 kN，軸向游隙為0.400～0.640 mm，接觸角為34°±3°。軸向載荷直接決定著試驗軸承的游隙變化，施加不均衡會導(dǎo)致軸承支承偏置。該試驗機(jī)采用液壓加載方式，通過膜片作用多加載桿對懸臂端試驗軸承施加軸向載荷，如圖8所示，由于加載過程中接觸摩擦和配合等因素的影響，各加載桿施加的力不均衡，使軸承產(chǎn)生一定的偏置，影響轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支承不對中。

圖8 多桿加載方式Fig.8 Multi-rod loading mode

為消除軸向載荷施加不均衡引起的支承不對中，采用如圖9所示的單桿加載方式，單桿直接作用在加載盤中心位置對軸承施加軸向載荷，并在加載桿與加載缸之間增加一個力傳感器，實時測量加載力以便進(jìn)行閉環(huán)控制。這種加載方式消除了多桿同時作用導(dǎo)致的加載不平衡問題，降低了軸向加載引起的軸承偏置，有利于改善轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)。

圖9 單桿加載方式Fig.9 Single rod loading mode

3 試驗驗證

按照圖7和圖9所示，再次對試驗軸承進(jìn)行磨合試驗，試驗過程中軸心位移和轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線如圖10所示：開始試驗后，軸心軌跡x和y均隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，在電動機(jī)啟動13 s時達(dá)到最大值(y方向約85 μm)但并未觸發(fā)報警閾值；隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，軸心軌跡迅速減小至10 μm以下；電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速范圍與計算結(jié)果較為一致，跨過一階臨界轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡穩(wěn)定，可以進(jìn)行軸承性能試驗。

圖10 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心位移和轉(zhuǎn)速隨時間的變化Fig.10 Variation of axial displacement and speedwith time of rotor system

該試驗軸承的某次壽命試驗過程中，電動機(jī)軸心軌跡隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化如圖11所示：隨著轉(zhuǎn)速譜和載荷譜的變化，電動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，軸心軌跡良好。

圖11 壽命試驗電動機(jī)軸心軌跡-轉(zhuǎn)速/載荷曲線

4 結(jié)束語

對磁懸浮電動機(jī)在航空發(fā)動機(jī)軸承性能試驗中的失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，針對轉(zhuǎn)子和支承不對中問題進(jìn)行改進(jìn)，改善了軸向加載方式，通過試驗驗證了改進(jìn)方案的有效性。目前，該磁懸浮電動機(jī)已在大尺寸軸承試驗機(jī)中運(yùn)行將近2 000 h，承擔(dān)了數(shù)個型號支點(diǎn)主軸軸承的性能試驗、耐久性試驗，在轉(zhuǎn)速精度控制、電動機(jī)加減速特性等方面均滿足試驗要求。