防止軸承滑蹭損壞的措施和減小阻力增大拖動力的方法

防止軸承滑蹭損壞的措施

滾動軸承在工作時,滾子應在內外環滾道上作純滾動,但在航空燃氣渦輪發動機的主軸承(即支承壓氣機、渦輪轉子的軸承)中,卻常會出現打滑,形成滑動摩擦。

由於滑動摩擦係數大於滾動摩擦係數,加上某些外來因素使得滾子與內外環滾道上形成干摩擦,引起滑蹭損傷———滾子內、外環滾道上出現蹭痕、表面局部磨損等,軸承一旦出現滑蹭損傷,表面光潔度被破壞,摩擦係數加大,加速了磨損過程,使滾子直徑變小,滾道上出現不均勻的槽痕,使軸承損壞,且對轉子的工作帶來危害。

滾動軸承工作時,有拖動保持架 滾子組合體運動的拖動力與阻礙該組合體運動的阻力。當拖動力大於阻力時,滾子在內外環間作純滾動;反之,當拖動力小於阻力時滾子就不會作純滾動而產生打滑現象。

作用於保持架 滾子組合體的拖動力主要是軸承在外負荷作用下滾子在內外環滾動間的摩擦力;當保持架定位於內環上時,保持架與內環間的滑油油膜還能產生部分拖動力。

而阻礙保持架滾子組合體運動的阻力則有:保持架 滾子的重量慣性力、滑油在軸承內的擾動力、保持架與外環滾道間的油膜黏性阻力(如保持架定位於外環時)等。

一般機械中使用的滾動軸承由於轉速低,始終有負荷作用其上,很少出現打滑現象。但是航空燃氣發動機主軸承卻很易打滑,這是因為轉子輕,作用軸承上的徑向負荷小,再加上飛機作機動飛行時會在某些情況下,使作用於軸承上的負荷更小,甚至出現零載,因而由摩擦產生的拖動力變得很小,甚至為零。

對於滾珠軸承,由於它還要承受軸向載荷,所以一般不易打滑,但是如果在飛行包線內,轉子的軸向負荷變向的話,在變方向的前後瞬間,軸承也會出現輕載、零載,引起打滑。

斯貝發動機的民用型MK512在工作中,作用於低壓轉子的止推滾珠軸承的軸向負荷的方向不發生變化,但在它軍用改型 MK202中,由於飛行包線大大擴大,即飛行高度由民用型的10km變為20km,飛行馬赫數由民用型0.8左右變為2.2,在工作中出現作用於該軸承的軸向負荷會變方向,n2/√T1=644時(n2為高壓轉子轉速,T1為發動機進口空氣溫度),作用於軸承上的負荷為零,大於或小於644時,作用力的方向相反,因而出現了嚴重的打滑現象。

從另一方面看,航空燃氣渦輪發動機轉子轉速高,滾動軸承的 DN值一般都大於 1.0×106(D 為軸承內徑,mm;N為轉速,r/min),滾動軸承在高轉速下工作,滾子在高轉速很大離心力的作用下,有與內環滾道分離的趨向,無法產生拖動力。

由於發動機主軸承有這兩個特點,因而容易產生打滑。因此,在現有發動機中,如不採用防滑措施,絕大多數主軸承均會打滑,且產生滑蹭損傷,對發動機的正常、可靠的工作構成威脅。

阻止主軸承打滑的措施有兩大類,即減小阻力與增大推動力。

4.5.1 減小阻力

(1)採用輕質材料作保持架,例如用重量輕的中硬度鋼 AISI4340,採用空心滾子(這是一項當前正在研究的措施,尚未在發動機中得到應用)等以降低保持架 滾子的慣性力。

(2)保持架不定位於外環上。在高速軸承上,為了使保持架在工作中逐漸達到完全平衡,一般將保持架定位於外環上,但它卻增加了阻礙保持架 滾子組合體運動的阻力。為防止軸承出現滑蹭損傷,不應將保持架定位於外環。

(3)改善滑油在軸承內的流動情況,減小滑油的擾動力。

RB211 22B 發動機於1972年4月投入航線使用,但到同年的10月,發現低壓轉子的止推滾珠軸承(為中介軸承)出現了四次滑蹭損傷,為消除打滑,將原定位於外環的保持架改為定位於內環,同時,在保持架內徑處(即與內環滾道相鄰的環面上)開了許多槽道,以使滑油順利地流過軸承內,避免產生滑油的擾動,如圖79所示。

圖79、 RB211風扇轉子中介滾珠軸承的改型設計

增加拖動力

(1)減小軸承的游隙,使滾子在離心力作用下仍能保持與內環滾道的接觸。例如 CFM56發動機支承高壓渦輪的滾棒軸承(中介軸承)即用了小游隙來減少打滑;又如 WJ6發動機的壓氣機前軸承在長期試車中出現嚴重的滑蹭損傷後,將該軸承的游隙由0.070~0.095mm減小為0.045~0.065mm,消除了打滑現象。

但是,採用減小游隙的措施會帶來其他嚴重問題,因此要慎重對待。

(2)將保持架定位於內環。例如前述的 RB211 22B 低壓轉子滾珠軸承將保持架由外環定位改為內環定位,不僅消除了保持架與外環滾道間油膜產生的阻力,而且增大了拖動力。

(3)裝配時,對軸承施加徑向或軸向載荷,即對軸承施加預載,使軸承工作時,始終在內外環滾道與滾子間有負荷作用,不出現輕載或零載,以增大推動力。對軸承施加預載的辦法有:

採用非圓軸承。將軸承外環的外圓做成非圓,而機匣安裝軸承的座孔仍做成圓的。當軸承壓入軸承座孔中後,外環凸出部位即向滾子作用—預加的載荷,使滾子與內外環間始終保持接觸,產生一定的拖動力。常用的非圓軸承有橢圓軸承外環與三瓣式的軸承外環。

橢圓軸承現在應用得較為廣泛,例如JT3D、JT9D、JT15D和CF6 80C2(4R)等均用了橢圓軸承,一般橢圓度為0.20~0.25mm左右。

所謂三瓣式軸承外環是軸承外環的外圓上有3個均勻分布的凸出帶,其工作原理同於橢圓軸承,只是它預載的方向多1個,CF680C2的高壓渦輪前滾棒軸承即採用了這種結構,其每瓣的凸出量為0.431mm,由此也可以看出,該軸承如不採取措施,其打滑度是非常大的。

在有的發動機上,非圓部分不做在軸承外環外圓上,而是做在內環外滾道上,其工作原理仍同於上述,例如 T700發動機的滾棒軸承即採用了這種結構。

軸向彈簧對軸承施加預載。圖46為J69軸流轉子後軸承支座結構,是一種典型的用軸向彈簧施加預載的辦法。

J69的軸流轉子前支點為止推支點,因此,後支點處應該採用滾棒軸承。但是,該轉子很輕,僅11.5kg。 正常情況下,作用於後支點的徑向負荷很小,而轉子轉速又高達22000r/min,很容易使該支點處的軸承打滑,採用如圖46所示的結構即用帶軸向彈簧預載的滾珠軸承取代滾棒軸承可防止打滑,這是因為在軸向彈簧的作用下,每個滾珠均始終與內外環滾道接觸並有負荷作用,因而不易打滑。

如前所述,斯貝發動機的軍用型 MK202中,低壓轉子的止推滾珠中介軸承,在工作中作用的軸向負荷會變向而引起打滑,為此,也採用了用軸向彈簧對該軸承施加一向後的力,使該軸承總是承受向後的軸向負荷,圖80示出了其結構圖,該結構中採用了兩個貝氏彈簧如圖80中7、8所示,通過小軸承對止推軸承2施加向後的預載。通過試驗、試飛,該彈簧施加的軸向力為712dN。

圖80、軍用斯貝中介止推軸承防止打滑的結構

(4)將滑油噴射方向做成與滾子運動方向一致。

除上述兩大類解決軸承打滑的措施外,對於附件傳動的軸承,也可以改用滑動軸承來消除滾動軸承的打滑。

從理論上講,附件傳動機構中的軸承不會出現打滑現象,因為齒輪在工作時,始終對軸承作用有一徑向負荷。但是,如果齒輪鏈排列不適當時,也可能沒有負荷作用於軸承上,例如 PW4000發動機的附件傳動機構中,傳動離心通風器的中間惰輪(轉速高達21000r/min)是用滾棒軸承支承於一根心棒上的如圖81(a)所示,由於主動齒輪、惰輪和從動齒輪三者排列在一條直線上,使惰輪的滾棒軸承基本不承受徑向負荷,因而在使用中出現了滑蹭損傷,為徹底解決這一問題,將此滾棒軸承改用了石墨軸瓦(滑動軸承),如圖81(b)所示。

RB211風扇轉子的止推軸承為一中介軸承,由於風扇轉子在工作中會出現軸向力方向改變,因而在投入使用(1972年4月)後不到半年,就出現過該滾珠軸承滑蹭損傷,於是採取前述的將保持架外環定位改為內環定位的措施,在一定程度上解決了問題。

圖81 、PW4000傳動離心通風器的中間惰輪

但是,由於軸向負荷換向問題沒有解決,因此長期以來,在各種改型的 RB211中,還是偶爾出現該軸承的滑蹭損傷的事件。為此,在 RB211的最後改型的 RB211 524G/H(1989年投入使用)中,將卸荷用的平衡腔封嚴環處的直徑由556.20mm增大為731.52 mm,消除了工作中轉子軸向負荷換向的問題。

基本上解決了該軸承的打滑問題。由 RB211 524G/H衍生髮展的遄達發動機,也採用了大直徑的平衡腔封嚴環。但在遄達發動機中仍然出現過該軸承打滑現象,因此,在低壓渦輪後軸承處增加了一預載的滾珠軸承,參見《波音777及其所用發動機一些設計特點》一文。

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