带有弹支结构的航空发动机轴承性能试验研究

铁晓艳，谷运龙，吴易明，王健，李斑虎

(1.洛阳轴承研究所有限公司，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)

航空发动机工作时，转子的振动通过支承结构传递给机匣，对发动机的正常工作产生不利影响。除了合理的设计结构及减小转子不平衡量等方法，通过应用弹性支承加挤压油膜阻尼的支承方式可有效降低发动机振动[1]，该方式需要对弹性支承结构的刚度及挤压油膜的阻尼比等参数进行合理设计。为验证某带有弹支及油膜阻尼结构是否能够满足发动机的使用要求，需对其进行性能试验。

1 试验方案

1.1 弹支结构介绍

航空发动机的转速较高，某些小型航空发动机的转速高达40000～50000r/min。轴系设计时需校核临界转速，以有效避开发动机的工作转速，防止共振。常规方法对转子结构进行合理设计，如改变截面尺寸及支点距离等。某航空发动机采用弹性支承加挤压油膜阻尼的支承结构[2]形式。弹支结构用于降低支承部位的刚性，调整转子系统的临界转速。试验轴承处的弹支结构如图1所示，弹支结构为鼠笼式结构，鼠笼条的长度、数目及笼条的截面积影响弹支的静刚度[3]。鼠笼弹支刚度为

K=(zEb2h2)/l3，

式中：z，l，b，h分别为鼠笼条的数目、长、宽、高；E为材料的弹性模量。试验轴承所用材料、尺寸精度及刚度值与发动机轴承保持一致。挤压油膜阻尼结构主要用于降低转子振动引起的支反力。油膜阻尼主要与阻尼腔的长度、直径、半径间隙及压力等参数有关，相关参数均与发动机轴承的实际设计值保持一致。

图1 弹性支承结构示意图

1.2 试验方案

试验系统由试验主体部件、试验头、润滑系统、液压加载系统、电主轴驱动及冷却系统、电气控制系统以及控制软件系统等组成。

被测轴承安装于试验主体部件的试验头工装内，电主轴使用联轴器与试验轴系相连并可通过变频器实现无级调速，冷却系统可为驱动电主轴提供循环水冷却；液压加载系统向被测轴承施加载荷；润滑系统为被测轴承以及陪试轴承提供正常运转所需的润滑油，包括控制润滑油的温度及压力；电气控制与控制软件系统对试验机的各个测试参数进行实时控制与监测，包括电主轴的转速、电流，被试轴承及陪试轴承的外圈温度，润滑系统的压力及供油温度等。

1.3 试验头

试验机采用桥式结构，试验轴承放置于一侧支点处，中间加载部位及另一支点处各采用2套三点角接触球轴承，用于承受载荷及轴向定位。

试验头结构如图2所示。采用弹性支承将试验轴承外圈固定，弹性支承则通过螺钉固定在左外衬套上。挤压油膜阻尼器管道提供用于减振的阻尼油路。4套角接触球轴承两两组对，分别位于轴中间及另一支点处，2套角接触球轴承之间用弹簧预紧，提高轴承的刚度。试验轴通过联轴节与高速电主轴相连，提供试验轴承所需的转速。径向加载组件为轴中间的2套角接触球轴承施加径向力，根据力平衡原理得到试验轴承承受的载荷。

图2 试验头结构示意图

1.4 试验轴校核

试验轴是整个试验系统的受载部件及关键旋转件，其结构强度及刚度、表面及尺寸精度、热处理工艺、动平衡量等因素直接影响试验轴系的承载能力及运行过程中的平稳性。为避免试验轴在运转中产生共振，其工作转速不能与一阶临界转速接近，也不能是一阶临界转速的简单倍数或分数[4]。因此，需对试验轴的强度、刚度及一阶临界转速进行校核，可采用常规的理论计算或进行有限元分析，在此不作阐述。

2 性能试验

根据性能试验的载荷、转速、供油压力及润滑油温度要求(供油温度100 ℃)，对试验轴承进行50 h的性能试验。试验轴承温度、振动曲线如图3所示。

图3 试验轴承温度及振动曲线

试验轴承在50 h性能试验过程中，温度在120～160 ℃内波动，主机振动在10～30 m/s2内波动。主要与转速及载荷的变化有关，随着转速及载荷的变大，轴承温度升高，变载变速时，主机振动随之变化，属于正常现象。整个试验过程中，温度及主机振动无异常变化。

50 h性能试验后试验轴承如图4所示，内外圈均正常，各滚子也没有出现异常，滚子与内圈接触的痕迹清晰且滚道居中。另外，内外径尺寸、径向游隙等试验后的检测结果表明，试验轴承无异常变化。

图4 试验轴承滚子的外观

3 结束语

弹性支承及油膜阻尼的结构是发动机中用于降低振动的结构方式之一，介绍了对带有弹性支承及油膜阻尼的结构的试验轴承的试验方案，并进行50 h性能试验，试验过程中监测试验轴承的温度及主体振动，试验后对轴承的相关尺寸进行检测，这些指标均无异常变化，验证了该带有弹性支承及油膜阻尼的结构的试验轴承顺利通过50 h性能试验。