三瓣波滚子轴承试验方案的分析与改进

2016-07-25张金焕王健张同贺谷运龙

轴承 2016年3期

张金焕，王健，张同贺，谷运龙

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039)

航空发动机作为飞机的动力系统，其可靠性是飞机安全飞行的重要保障。发动机主轴轴承作为复杂轴系的关键部件，直接影响发动机的可靠性、寿命和安全性。因此，需要对轴承进行性能寿命试验[1-3]。

某型号航空发动机涡轮主轴后支点圆柱滚子轴承具有高温、高速、轻载的使用特点，传统结构的圆柱滚子轴承已不能满足发动机的性能要求[4]，为防止高速轻载打滑，后支点轴承采用三瓣波形滚道。由于其结构特殊(三瓣波形滚道、薄壁)、转速较高(dmn值为2.25×106mm·r·min-1)，轴承试验难度较大，在进行1 500 h耐久性试验过程中，轴承出现故障，报警停机。

下文针对试验轴承的故障模式及原因等方面进行综合分析，对原试验方案进行改进设计，并通过试验验证了改进方案的可行性。

1 试验

1.1 轴承参数及试验条件

试验轴承为2套，试验轴承及其外圈滚道结构分别如图1、图2所示[4-5]。轴承尺寸(d×D×B/C)为φ50 mm×φ73.4 mm ×17/13.5 mm，外圈为三瓣波形滚道带双挡边，内圈无挡边，保持架外引导。外圈固定，内圈旋转；采用航空润滑油4050实现喷油润滑，供油温度80 ℃；最高试验转速45 000 r/min；径向载荷228～1 388 N；试验时间1 500 h。

图1 试验轴承结构

图2 三瓣波形滚道

1.2 试验设备

试验在高温高速型轴承试验机上进行，其主体为简支梁结构，如图3所示。试验轴承位于轴系中间，一次试验1套，两支点端为陪试轴承；高速电主轴通过柔性联轴器与试验主轴的轴伸端相连，输出试验要求转速；径向载荷由径向加载活塞通过承载套直接施加于试验轴承上，两支点端陪试轴承由弹簧进行轴向预紧；润滑油通过喷油嘴喷入试验轴承和陪试轴承，试验轴承为双边喷油。

1—左衬套；2—左端盖；3—陪试轴承；4—试验衬套；5—加载活塞；6—试验轴承；7—右衬套；8—右端盖；9—试验主轴；10—喷油嘴

2 故障分析

2.1 故障模式

试验进行至319 h轴承出现异常，试验机报警停机，此时各项试验参数均出现较大异常波动，其中：外圈温度升高约11 ℃，主机电流增大约15 A，主体振动增大2g(g为重力加速度)，同时在停机过程中出现较大异常声。

停机后手动转动主轴，卡滞严重。检查发现试验衬套发生了偏斜(图4)，起限位作用的定位销也折弯变形(图5)，试验轴承下方有少许脱落的金属屑。分解试验轴承发现，滚子部分变形(图6)，内圈滚道1/2宽度的整个圆周磨损严重(图7)，保持架镀层少许脱落。

图4 衬套故障

图5 定位销故障

图6 滚子故障

图7 内圈滚道故障

2.2 故障原因

试验轴承外圈组件的中间衬套发生偏斜、定位销折弯，说明试验衬套不能可靠地安装定位、有效约束轴承处于中心垂直加载位置，导致轴承在运转过程中发生偏摆或轴向窜动，发生偏磨。另一方面，由于轴承外圈采用三瓣波形滚道，其不规则滚道形式虽能防止轴承出现轻载打滑，但工作中三瓣波顶点成为轴承的强迫激振源[5]，加剧了轴承运转的偏摆和窜动(尤其在变速、变载的状态转换过程中)，进而导致轴运转失稳，出现异常磨损、温升和振动，且主机电流增大，最终报警停机。

试验机主体为简支梁结构，为施加径向力，中间试验衬套采用浮动式安装，依靠加载活塞的球头与衬套V形槽定位，但带有强迫激振源的三瓣波滚子轴承不能充分适应，导致轴承运转不稳定。

3 改进试验

3.1 改进方案

针对上述故障模式及失效原因采取了以下改进措施及方案：

1)将试验轴承由中间悬浮位置改为支点固定端位置，更接近轴承在发动机上的安装工况，同时避免了试验过程中由于衬套定位不可靠对试验的影响。

2)针对该三瓣波滚子轴承的运转振动特性，模拟轴承在发动机上弹支的安装结构形式，进行减振。

改进后的试验方案如图8所示，仍采用简支梁结构，试验轴承位于轴系的支点端。轴承安装座采用弹支结构(图9)，同时在安装衬套内环开槽，与弹支外环形成挤压油膜，进行减振。轴系中间安装2套高速球轴承作为加载陪试轴承，传递径向载荷。

1—试验衬套；2—喷油嘴；3—弹支结构；4—试验轴承；5—挤压油膜密封环；6—陪试轴承；7—加载活塞；8—加载衬套；9—试验主轴

图9 弹支结构

3.2 试验验证

在同一台试验机上安装相同型号的试验轴承，并按相同试验条件进行100 h耐久试验(10个循环)。试验数据曲线如图10～图12所示，由图可知，采用改进试验方案后，试验轴承在温升、振动以及主机电流等参数上均优于原方案，拆机检查轴承及试验工装件均正常，从而顺利完成了该型号轴承2套各1 500 h的耐久试验，充分验证了改进方案的可行性及有效性。