某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

林碧華，李強(qiáng)，滿維偉

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的dn值越來(lái)越高，軸承各運(yùn)動(dòng)副之間因摩擦產(chǎn)生更多的熱量，對(duì)軸承的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提出了更大挑戰(zhàn)。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有環(huán)下潤(rùn)滑和噴射潤(rùn)滑[1]，環(huán)下潤(rùn)滑比噴射潤(rùn)滑更適合高轉(zhuǎn)速和工作時(shí)產(chǎn)生較多熱量的軸承，在高dn值的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承潤(rùn)滑中被廣泛使用。

根據(jù)集油方式的不同，環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)可分為軸向集油和徑向集油[2-3]。軸向集油是指潤(rùn)滑油通過(guò)軸向集油結(jié)構(gòu)將潤(rùn)滑油輸送到軸承；徑向集油是指潤(rùn)滑油通過(guò)徑向集油環(huán)收集潤(rùn)滑油，然后輸送到軸承。

文獻(xiàn)[4]采用數(shù)值方法對(duì)環(huán)下潤(rùn)滑軸承性能的影響因素進(jìn)行了研究，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)[5]主要針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的集油效率進(jìn)行研究，并未驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)對(duì)軸承的潤(rùn)滑、冷卻效果。本文針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承軸向集油環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)對(duì)軸承實(shí)際潤(rùn)滑、冷卻效果開(kāi)展了試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)在專用高速軸承試驗(yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)由試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置、膜盤聯(lián)軸器、增速器、電動(dòng)機(jī)、安裝座和平臺(tái)等組成。試驗(yàn)機(jī)的主要工作原理是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器減速后，帶動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置旋轉(zhuǎn)，達(dá)到試驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)速。

1—平臺(tái)；2—主電動(dòng)機(jī)；3—疊片聯(lián)軸器；4—增速器；5—膜盤聯(lián)軸器；6—試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置；7—安裝座圖1 專用高速軸承試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of special high speed bearing tester

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置主要由試驗(yàn)軸、試驗(yàn)軸承、陪試軸承、軸向集油環(huán)、噴嘴以及其他相關(guān)附件組成。試驗(yàn)軸承參數(shù)見(jiàn)表1。

1—試驗(yàn)軸承；2—噴嘴；3—軸向集油環(huán);4—試驗(yàn)軸；5—陪試軸承；6—徑向加載軸承圖2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of test transfer device

表1 試驗(yàn)軸承參數(shù)Tab.1 Parameters of test bearing

潤(rùn)滑油從噴嘴噴出，通過(guò)軸向集油環(huán)收集后由軸上的油路輸送到軸承中，環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Test for under-race lubrication structure

本試驗(yàn)主要研究軸向集油環(huán)相對(duì)軸的位置對(duì)軸承潤(rùn)滑、冷卻效果的影響，設(shè)計(jì)了2種方案:

1)試驗(yàn)軸R3圓心位置在軸向集油環(huán)端面的外側(cè)，距離為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 方案1的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of scheme 1

2)試驗(yàn)軸R3圓心位置在軸向集油環(huán)端面的內(nèi)側(cè)，距離2.27 mm，如圖5所示。

圖5 方案2的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of scheme 2

1.3 測(cè)試參數(shù)

試驗(yàn)中的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2，測(cè)試位置均在外圈軸承座處。

表2 測(cè)試參數(shù)及精度要求Tab.2 Test parameters and accuracy requirements

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用方案1時(shí)，試驗(yàn)在軸向載荷3 600 N、徑向載荷700 N、轉(zhuǎn)速15 000 r/min的條件下運(yùn)行了46 s，軸承溫度接近150 ℃，且溫度有繼續(xù)上升的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速下降過(guò)程中，軸承溫度繼續(xù)上升，隨即出現(xiàn)抱軸現(xiàn)象。

分解試驗(yàn)轉(zhuǎn)接裝置，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)軸承(圖6)已損壞。目視檢查發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈溝道磨損嚴(yán)重，溝道表面可見(jiàn)一層顏色明顯不均的磨損黏附物；內(nèi)圈局部變色，內(nèi)圈溝道靠近油孔側(cè)擋邊位置(油孔位置附近)可見(jiàn)明顯的磨損痕跡，內(nèi)圈溝道局部可見(jiàn)周向磨損；保持架內(nèi)圓面上局部可見(jiàn)磨損痕跡；鋼球磨損嚴(yán)重，整體磨損較均勻。

圖6 試驗(yàn)后軸承零件照片F(xiàn)ig.6 Photograph of bearing parts after test

對(duì)故障軸承進(jìn)行體視鏡檢查，軸承磨損情況如圖7所示：外圈溝道可見(jiàn)大量帶有變色且分布較均勻的黏附物；鋼球燒傷磨損均勻且嚴(yán)重，呈黑灰色；內(nèi)圈溝道可見(jiàn)大量帶有變色且分布較均勻的黏附物；個(gè)別油孔內(nèi)可見(jiàn)異物，貼合面變色相對(duì)嚴(yán)重，貼合面上的油槽內(nèi)可見(jiàn)擠壓流變堆積的金屬物，溝道側(cè)內(nèi)孔位置附近的擋邊周向可見(jiàn)磨損痕跡。

圖7 試驗(yàn)后軸承零件的外觀形貌Fig.7 Appearance of bearing parts after test

方案2與方案1的試驗(yàn)條件相同，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速順利推到22 000 r/min，試驗(yàn)過(guò)程中軸承溫度和箱體振動(dòng)變化平穩(wěn)，軸承未出現(xiàn)由于潤(rùn)滑不良而失效的情況。

2種方案的軸承溫度和箱體振動(dòng)如圖8所示，圖中g(shù)為重力加速度。

圖8 2種方案軸承溫度和箱體振動(dòng)對(duì)比Fig.8 Comparison of bearing temperature and casing vibration of two schemes

2.2 結(jié)果分析

對(duì)方案1中故障軸承的檢查發(fā)現(xiàn)，故障軸承出現(xiàn)內(nèi)外圈溝道起皮和鋼球變色現(xiàn)象，其他接觸痕跡和工作位置等與試驗(yàn)方案載荷和轉(zhuǎn)速施加預(yù)期位置一致，保持架無(wú)異常接觸痕跡和亮帶，工作痕跡正常。據(jù)此可判斷試驗(yàn)軸承在工作過(guò)程中狀態(tài)正常，起皮、磨損和顏色變化與潤(rùn)滑不足有關(guān)，可判定試驗(yàn)軸承在正常承載的高速工作過(guò)程中由于潤(rùn)滑不良產(chǎn)生表面損傷，致使失效。而在方案2的試驗(yàn)中，軸承未出現(xiàn)由于潤(rùn)滑不良而失效的現(xiàn)象，說(shuō)明方案2的結(jié)構(gòu)能夠滿足軸承使用要求。由圖8可知，在相同條件下方案1中軸承溫度和振動(dòng)明顯高于方案2，側(cè)面驗(yàn)證這一結(jié)論。

2種方案中,潤(rùn)滑油入射點(diǎn)的位置和集油腔空間有明顯的區(qū)別(圖9)。軸向集油環(huán)與軸的相對(duì)位置主要影響潤(rùn)滑油入射點(diǎn)位置和集油腔空間。潤(rùn)滑油入射點(diǎn)位置不合適可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油入射到軸上后反射到軸向集油環(huán)擋油壩上或者集油環(huán)外面，到達(dá)軸承的油將會(huì)很少；集油腔空間不夠可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油從左側(cè)跑出，而不是按照既定設(shè)計(jì)到達(dá)軸承。

圖9 2種方案的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖Fig.9 Diagram of structural comparison between two schemes

假設(shè)潤(rùn)滑油噴射到軸上的位置不變，由于軸向集油環(huán)位置的變化，方案1中潤(rùn)滑油入射到軸上后反射到軸向集油環(huán)擋油壩上或者集油環(huán)外面，到達(dá)軸承的油將很少；方案2中潤(rùn)滑油入射點(diǎn)已在集油腔內(nèi)，則只要潤(rùn)滑油噴進(jìn)擋油壩，且集油腔的空間變大，可集油量變多，其從集油環(huán)左側(cè)跑掉的可能性變低，絕大多數(shù)潤(rùn)滑油可根據(jù)既定油路設(shè)計(jì)進(jìn)入軸承。因此，方案1對(duì)潤(rùn)滑油入射點(diǎn)的位置和角度有較嚴(yán)格的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)車軸軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究表明，軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)雖然有較高的集油效率，但對(duì)集油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下盡量使?jié)櫥腿肷潼c(diǎn)在集油腔內(nèi)，以使?jié)櫥屎蜐?rùn)滑可靠性更高。