航空发动机传动装置球轴承保持架引导间隙对保持架磨损影响研究

中国航发成都发动机有限公司 四川 成都 610503

概述

滚动轴承广泛应用于航空发动机传动装置,起支撑、定位、传递载荷的作用,其性能、寿命、可靠性、安全性直接影响航空发动机传动装置能否正常工作。随着航空发动机的发展,传动装置转速和功率提取越来越高,对球轴承工作稳定性要求越来越高。预防轴承工作异常导致的安全事故已成为航空发动机设计、生产、制造的重点工作。

轴承保持架与外圈之间的引导间隙是滚动轴承的重要设计参数之一,保持架引导间隙设计不合理时,影响轴承保持架的运动轨迹和稳定性,容易引起保持架和滚动体、保持架和引导套圈的碰撞及摩擦力迅速增加,造成保持架引导面异常磨损,进而影响轴承工作稳定性和寿命。本文通过对航空发动机轴承保持架引导面异常磨损问题研究,确定保持架引导间隙对轴承工作稳定性的影响,对滚动轴承保持架参数的设计与优化具有重要的意义。

1 问题分析

1.1 故障简介 发动机地面试车过程中发现滑油系统油滤存在黄色金属屑末,经分析成分其主要为Cu和Zn,并含有少量Pb,经多次更换滑油和验证试车,金属屑无减少趋势,进一步化验后确定金属屑主要成分为HPb59-1,该材料主要用于航空发动机传动装置球轴承保持架。对发动机传动装置分解检查,发现装配于前传动机匣中的2件球轴承保持架外径面磨损,将轴承外环剖切后发现保持架引导面磨损严重,具体情况见图1。

图1 轴承损伤形貌

1.2 工况简介 故障轴承内圈与齿轮轴过盈配合,外圈与轴套间隙配合,工作过程中轴承内、外圈同时转动,转动方向相同,发动机额定状态时,内圈转速10748r/min,外圈转速3614 r/min,工作中所承受的力主要来源于齿轮啮合时产生的轴向力和径向力,径向载荷≯160N,轴向载荷≯31N。

1.3 理化分析 对故障轴承剖切,从宏观观察、能谱分析、金相观察、硬度测试等几方面进行理化分析,得出结论如下:

(1)轴承失效原因为保持架引导面异常磨损导致。

(2)轴承金相组织正常。

(3)轴承外圈轨道面、珠子表面、保持架磨损面显微硬度无明显梯度变化,均符合标准要求。

(4)轴承各部位未见因润滑不足导致的烧伤特征。

(5)保持架引导面出现磨损的原因可能是在某种工作状态下,外圈的内圆挡边和保持架引导边局部间隙消失,出现接触,两者在相对转动下出现磨损。

1.4 原因分析

1.4.1 振动分析 故障型号轴承共10个钢球,使用COBRA软件计算轴承在工作转速下保持架的坎贝尔图,仅考虑轴承有10个钢球对保持架的冲击频率时,假设转动频率为1,则钢球对保持架的激振力频率为10。从坎贝尔图中可以看出,在给定计算条件下,保持架在轴承工作转速范围内不会发生共振,可排除振动因素导致轴承保持架引导面异常磨损。

1.4.2 尺寸测量 根据故障现象和理化分析结果,查找保持架引导面与轴承外环异常接触的原因。因发动机已通过长试考核并大量装配试车,通过剖切同工况、同型号无故障轴承进行对比,发现发生保持架引导面异常磨损的2件轴承引导间隙偏向设计值下限(具体情况见表1),可能在发动机某种工况下使保持架和轴承外环异常接触,产生碰撞及摩擦力从而产生磨损;其余无故障轴承引导间隙分布在设计范围中值或上限区域。

表1 不同轴承引导间隙对比

1.5 仿真分析验证 为研究引导间隙对保持架运转平稳性的影响,应用多体动力学软件,模拟轴承实际工作时的转速、载荷等工况,在其他参数不变的情况下,得到不同引导间隙下轴承保持架质心运动轨迹,见表2。

表2 不同轴承引导间隙对比

仿真试验结果显示,当引导间隙0.3mm时,保持架运动轨迹发散,稳定性差;随着引导间隙的增大,达到0.4mm,保持架运动轨迹逐渐收敛,趋于平稳;当引导间隙达到0.5mm时,保持架运动轨迹发散,稳定性变差。

结合表1中故障轴承和正常轴承引导间隙实测值进行分析,原轴承设计的保持架引导间隙(0.3～0.45)mm存在设计范围偏大的问题,当引导间隙偏下限时,保持架运动稳定性差,频繁与轴承外圈接触,使碰撞及摩擦力迅速增加,硬度较低的黄铜保持架发生异常磨损。

1.6 装机试车验证 选取保持架引导间隙在(0.4～0.45)mm范围内的新品轴承,装配在传动装置上随发动机进行了验证试车,试车过程中监控发动机振动,对滑油进行光谱分析和磨粒度检测,均未见异常;试车后分解检查,轴承外观、转动灵活性、成品检测尺寸均合格。目前调整引导间隙的新品轴承,共计60余套,随30台以上发动机进行试车验证,总试车时间达600h,均未发现异常。

2 结论及建议

本次故障与轴承保持架引导间隙设计值范围不合理有关,合适的保持架引导间隙有利于保持架运动轨迹收敛,使保持架运动平稳,偏大或偏小的引导间隙,均会使轴承保持架运动轨迹发散,运动稳定性差。

在滚动轴承设计时,选取合理的引导间隙,对提高轴承的工作稳定性和寿命具有重要的意义:采用多体动力学仿真软件,模拟轴承实际工作时的转速、载荷等工况,得到不同引导间隙下轴承保持架质心运动轨迹,选择保持架运动轨迹收敛,运动平稳的合适区间,结合轴承试验器试验,对优化区间内不同引导间隙的轴承进行试验,通过试验后保持架引导面的磨痕状态,进一步优化引导间隙设计区间,可有效提升轴承工作稳定性和寿命。