某发动机主轴轴承断油试验与温升趋势分析

2017-07-26叶本远刘廷武李锟陈松霆

轴承 2017年10期

叶本远，刘廷武，李锟，陈松霆

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳 621000)

随着航空发动机性能的不断提高，主轴轴承的工作条件越来越苛刻，要获取轴承工况，必须进行大量试验。基于专有试验机模拟轴承工况，对轴承进行极限工况适应性试验，再对数据进行分析，是一种可靠性强、成本低、效率高的方法[1]。断油状态是航空轴承最苛刻的工况，航空发动机型号规范中明确规定发动机主轴轴承必须进行润滑油供给中断试验。

针对航空发动机主轴轴承断油性能，许多学者进行了较为广泛的研究。文献[2]系统分析了工作条件、保持架材料、结构、引导方式和引导间隙等因素对主推力球轴承工作温度和断油次数的影响；文献[3]分析了某航空发动机主推力球轴承在不同载荷下的断油特性，给出了相应的轴承断油温升曲线；文献[4-5]分析了航空发动机主轴轴承的断油通过性；文献[6]通过对某发动机主轴承进行断油试验研究，就轴承断油状态下产生的破坏形式及机理进行分析；文献[7]对在航空发动机滑油系统断油时的主推力球轴承进行了瞬态热分析，给出了主推力球轴承断油30 s的安全裕度。

现利用专用轴承试验机，对某发动机4个支点的轴承进行断油试验, 分析其抗断油能力。通过分析轴承外圈温升趋势，探讨轴承在断油过程中的温升机理。

1 试验

1.1 试样

试样为某发动机4个支点的支承轴承(总共5个支点，其中2#支点轴承未考核)，分别简称为1#轴承、3#轴承、4#轴承及5#轴承。轴承参数见表1，均为外圈固定、内圈旋转。

表1 试验轴承参数

1.2 试验设备

试验在某航空发动机专用轴承试验机上进行，试验头主体全部采用简支结构，其中1#轴承与5#轴承外圈与轴承座间安装挤压油膜阻尼器(图1)，外圈温度通过贴在其端面的E型热电偶测量；3#轴承与4#轴承外圈直接安装于刚性轴承座(图2、图3)，轴承外圈温度通过铠装温度传感器测量(插入轴承座沿径向预留的安装孔)。

图1 1#，5#轴承试验结构示意图

图2 3#轴承试验结构示意图

图3 4#轴承试验结构示意图

1.3 试验条件及方法

试验轴承的断油条件见表2,4套轴承的供油方式均为单边喷射，润滑油牌号为4050，供油温度为(120±5) ℃，断油时间为15 s，工况为典型高转速、小载荷。首先对轴承进行跑合，然后按照表2工况运转300 s后开始断油，15 s后恢复供油，继续运转1800s后停车。试验中，若在设定时间内出现电流异常增大、噪声或轴承温度异常变化的情况，立即停车检查，判断是否中断试验。

表2 断油试验条件

2 试验结果

2.1 温度变化

试验过程中轴承的温度变化如图4所示。由图可知，4套轴承的温度变化趋势基本一致，断油前轴承外圈温度已趋于稳定；断油期间，外圈温度迅速降低，达到最低值后逐渐上升；断油结束后，外圈温度持续上升，达到最高点后缓慢降低并最终稳定。其中，3#轴承的温度变化最大，温差达12.6 ℃，其他轴承的温差不超过5 ℃；3#轴承温升响应时间也最长，约为300 s；1#轴承与5#轴承温升响应时间最短，约50 s。

图4 试验中轴承温度变化

将3#轴承与5#轴承断油期间及断油前后部分数据单独提出，得到流量与温升局部关系曲线如图5所示。由图可知，试验轴承在断油期间，轴承外圈温度先降低后升高，恢复供油后，外圈温度继续升高，达到最高点后开始下降直至稳定，断油前、后的稳态条件下，外圈温度趋于一致。

图5 断油时刻轴承温度变化

2.2 轴承外观

2.2.1 自检结果

试验结束后，现场检查发现各轴承旋转灵活，无卡滞。分解检查结果如图6～图9所示。鉴于1#轴承与4#轴承的设计特殊，滚动体无法单独取出，因此无外滚道照片。由图可知，试验后，所有轴承滚道承载面颜色均有不同程度加深，出现无深度划痕，3#与4#轴承外滚道尤其突出，其中3#轴承外滚道划痕面积最大，4#轴承内滚道划痕数最多；各滚动体上均出现整圈的无深度划痕。

图6 1#轴承试验后分解检查图片

图7 3#轴承试验后分解检查图片

图8 4#轴承试验后分解检查图片

图9 5#轴承试验后分解检查图片

轴承滚道颜色加深的原因在于断油后滚道温度较高;出现大量划痕的机理是：断油开始时，随着油膜减小直至消失，套圈、滚动体和保持架的接触面磨损加剧，造成表面划伤。单个较为明显的整圈划痕是由润滑油中夹杂的硬质颗粒物划伤接触面所致。3#和4#轴承损伤最为明显的原因在于其工况最恶劣，转速高、载荷大。

2.2.2 润滑油检测结果

对试验后的润滑油进行检验，结果见表3。由表可知，各项参数均满足要求，说明轴承的磨损正常。

表3 润滑油光谱分析结果

2.2.3 试验轴承性能检测结果

将试验轴承委托专业机构检查，轴承尺寸精度、旋转精度及游隙的检测结果见表4。由表可知，除了3#轴承内径偏差和5#轴承外径偏差的检测结果指标超差外，其余参数均正常，超差项为恶劣的试验工况所致，属正常现象；1#轴承和4#轴承为进口轴承，目前尚无相关标准参数。检测表明，轴承整体完好，未发现影响轴承使用性能的问题。

根据GJB 7268—2011《航空发动机轴承试验定寿程序和要求》，4套轴承在断油期间和恢复正常供油的30 min内均正常工作，分解检查未见明显变化，通过断油试验考核。

表4 轴承结构检测结果

3 温度变化趋势分析

3.1 轴承摩擦功耗分析

轴承温升的直接影响因素在于2方面：生热与散热。针对图4、图5试验轴承温升趋势曲线，从轴承摩擦功耗(生热)角度进行分析。轴承摩擦功耗主要有2种计算方法：整体法和局部法。文献[8]基于对各种类型和尺寸轴承的试验结果获得了计算轴承摩擦功耗的经验公式，该方法广泛应用于轴承行业；文献[9]利用局部法对整体法进行了修正，得出了较为精确的计算模型，但计算过程较为复杂。文中主要对断油过程中轴承温升趋势进行分析，重点对温升现象进行解释，因此，采用整体法进行讨论和计算。

对于球轴承，摩擦力矩主要考虑由外载荷引起的力矩和润滑油黏性摩擦产生的力矩。

由外载荷引起的力矩为

M1=f1FβDpw，

(1)

润滑油黏性摩擦引起的力矩为

(2)

式中：f0为与润滑油相关的系数；ν0为润滑油黏度；n为转速，r/min。

总力矩为

M=M1+Mν。

(3)

(1)～(3)式也适用于圆柱滚子轴承摩擦力矩的计算，但各参数需做调整，详见文献[10]。

由轴承摩擦力矩引起的功耗为

H=1.047×10-4Mn。

(4)

利用(1)～(4)式计算得到试验轴承的摩擦功耗见表5。由表可知，4套试验轴承外载荷引起的摩擦功耗量极小，轴承功耗的绝大部分是由润滑油黏性摩擦引起。参考(2)式，结构确定后，影响滑油黏性摩擦力矩的主要因素为转速和润滑油黏度系数。在恒定转速下，润滑油黏度系数越小，力矩越小，功率损耗越小。影响润滑油黏度系数的主要因素是温度，在试验过程中，上述影响因素始终确定，故无法由此解释断油期间试验轴承温度先降后升的现象。

3.2 试验分析

取极限状态分析，假设轴承在无油状态下运转(存在油膜且轴承不损坏)，外载荷引起的力矩M1仍然存在，但此时的黏性摩擦力矩Mν与润滑油黏度无关，更大程度上取决于空气黏度。由于空气黏度系数比润滑油黏度系数低约3个数量级，因此，在极限状态下轴承的黏性摩擦功耗将远低于表5中的计算值。而试验轴承的黏性摩擦功耗占总摩擦功耗的比例较大，则黏性摩擦功耗的急剧降低必然导致轴承总摩擦功耗急剧降低。因此，在极限工况下，试验轴承的总摩擦功耗也将远低于表5中计算值。断油相当于将试验轴承工况由正常工况向极限工况进行切换。

表5 试验轴承摩擦功耗计算值

综上，可对试验轴承温度变化情况进行解释：断油前，轴承摩擦功耗主要由润滑油黏性摩擦阻力产生；断油后，由于油量急剧减少，黏性摩擦力迅速降低，最终使得轴承摩擦功耗大幅度降低，该结论可以通过5#轴承试验过程中驱动电主轴的电流值佐证(图10)。同时，滚动体与滚道表面仍滞留少许润滑油，轴承的散热能力变化不大。因此，在生热大幅降低而散热不变的情况下，轴承温度下降。但随着断油的继续，虽然轴承的生热仍处于较低状态，但因轴承滚道表面残留吸附的润滑油量快速减少，轴承散热介质严重缺乏，散热能力大幅下降，轴承热能储存逐渐增多，使轴承温度降低一定值后开始回升。

图10 5#轴承断油试验中电流变化曲线

恢复供油后，试验轴承功耗值恢复至表5水平，轴承散热能力完全达到断油前水平，但由于轴承在断油状态中的热量积累，轴承温度继续上升，达到最高点后，轴承温度逐渐降低至断油前稳态水平。

断油试验过程中轴承温升热交换过程如图11所示。

图11 热交换示意图

文献[3]中试验轴承所处工况为高转速、中等载荷，外载荷引起的功耗在轴承总功耗中所占比例较大，因此断油开始后，尽管轴承功率损耗有所降低，但降低并不明显，反而轴承的散热能力急剧降低，使得轴承的温度迅速升高。

为验证以上分析的正确性，采用某非圆滚道轴承的断油试验数据进行验证，该试验轴承的工况仍然为高速(38 000 r/min)、小载荷(径向载荷与额定载荷之比1.96%)，但其外滚道为非圆结构，使轴承在装配时施加了预载荷，故轴承实际承受的载荷比施加的外载荷大。该轴承的断油试验数据如图12所示，由图可知，断油后轴承温度立即上升。可以证明，文中断油试验后，轴承温度先降低后升高的根本原因在于轴承的外载荷过小，增加外载荷，此现象可消失。