某型高DN发动机轴承试验故障分析及改进

2022-08-10徐金超刘公平张言伟黎建涛李玉亭

科技视界 2022年17期

徐金超刘公平张言伟黎建涛李玉亭

（洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039）

0 引言

轴承试验中时有故障发生，针对试验中出现的故障，分析原因，对原试验方案进行改进设计，试验验证改进后方案的可行性。

某航空发动机主轴轴承，DN值高，试验时出现试验故障，报警停机，经分析发生跑圈现象。轴承跑圈分为内圈跑圈与外圈跑圈，内圈跑圈为轴承的内圆与轴的接触有了间隙，产生与轴不同步旋转现象。外圈跑圈为产生外圈在轴承室内打滑，有跟随轴旋转的趋势。以某型航空发动机主轴轴承试验中出现的跑圈现象为例，研究分析跑圈问题。

1 试验条件

试验轴承为滚子轴承，轴承内径为110mm，转速为27 100r/min，DN值为298×104mm r/min，3个喷油嘴，供油温度100℃，供油压力0.5MPa，每个喷嘴的流量为2.8L/min，试验时载荷1 300N～8 750N。

2 试验设备

根据轴承的尺寸、转速、载荷等特点，选择ZYS-106型试验器。ZYS-106型轴承试验器可完成内径尺寸在Φ40～Φ110mm范围内的球和滚子轴承的试验，最高转速30 000r/min，最大轴向载荷20kN，最大径向载荷15kN，滑油加热最高温度200℃，滑油最大供油压力1MPa，试验器主要技术指标和功能满足项目要求。试验前对试验设备的加载系统、驱动系统、润滑系统、电气测控系统等进行准备状态检查，试验设备状态满足轴承试验条件要求。试验监控参数：轴承外圈温度、载荷、进油温度、回油温度、振动、转速、滑油压力等。

3 试验方案

试验轴系为简支梁结构，试验轴承位于轴系的中间，一次试验两套。电主轴通过柔性联轴器与试验主轴的轴伸端相连，提供转速。试验轴承的径向载荷由径向加载装置施加于中间试验轴承上，加载大小为试验轴承径向载荷的2倍。试验方案如图1所示。

图1 改进前的试验方案

4 试验现象

工装加工完毕后，进行装配调试，调试时出现：（1）振动大，异常响声；（2）随转速升高，振动异常增大，振动达到7.5g个，报警停机。现场检查，手盘主轴，旋转灵活，无卡滞。

5 故障分析

根据试验中出现的故障，建立故障树，查找原因，故障树如图2所示。（1）轴承质量方面，轴承的出厂检验记录表明轴承各项参数均在设计范围内；（2）试验设备方面，试验设备是经过检验合格的设备；（3）试验润滑方面，打开试验设备的主体压盖，启动润滑系统检查润滑状况，供油正常；（4）试验工装方面，对零件的尺寸公差，形位公差与设计要求相比，检验结果表明，零件的尺寸公差，形位公差均在设计要求范围内，3个喷嘴的位置均正确，流量在要求的范围内；（5）工装装配方面，装配过程按照操作规范进行。

图2 故障树

轴承外观检测发现，外圈和保持架外观正常，滚子外观正常，轴承内圈端面有滑蹭痕迹，如图3所示。轴系上与滚子轴承内圈接触的隔圈端面有滑蹭痕迹，如图4所示。试验主轴上有磨损环带，如图5所示。

图3 轴承内圈滚道

图4 隔套内圈端面

图5 轴承内圈滚道

经分析，试验主轴上有磨损环带，轴系振动大的主要原因是跑圈造成的。由于轴承内圈与轴热膨胀量不同，轴承内圈与轴之间的过盈配合可能变成间隙配合，若此时压紧力不足，端面摩擦力矩不足以克服轴承阻力距，轴承内圈与轴发生相对转动，轴承内圈端面与套圈端面产生磨损，进而导致轴系运转失稳，异常磨损，轴承温度升高，设备振动增大，报警停机。

6 排故措施及试验验证

由于线膨胀量及压紧力不足造成轴承跑圈，采取如下改进措施：

（1）采用机械限动措施，该措施能有效防止隔套在工作状态下转动。

（2）更换轴的材料，轴的材料改成线膨胀系数大的材料，避免轴承内圈与轴产生间隙配合。

（3）保证端面压紧力，改变压紧方式，由原来的端盖压紧改成螺钉压紧。

（4）细化装配工艺，装配时，提高轴承内圈加热温度，确保轴承端面贴近轴端面，用塞尺检查。

改进后的试验方案如图6所示，仍采用简支梁结构，试验轴承位于轴系的中间。左隔套与右隔套在轴向钻4个孔，轴上相对应位置在轴向加工螺纹孔，隔套装上后，装上紧定螺钉，左端试验轴承与左端陪试轴承用左端压盖压紧，右端试验轴承与右端陪试轴承用右端压盖压紧。

图6 改进前的试验方案

方案改进后，进行工装返修、加工，安装、调试，对改进后的试验方案进行验证。为提高对比性，在同一台试验机安装该型号轴承，在相同润滑及相同载荷转速下进行试验。试验过程中：（1）轴承温度稳定，无异常声音出现；（2）左试验轴承温度较原方案轴承温度低了6℃左右，左试验轴承温度较原方案轴承温度低了5℃左右；（3）主体振动较原方案低了2.5g左右。对比试验数据曲线见图7～9，停机后检查轴承外观，内圈端面外观正常，无打滑蹭伤。可知，改进后方案的试验轴承在温升、振动均优于原方案，改进措施有效，改进方案合理可行，故障排除。