摘要：针对在航空发动机中有重要作用的轴承，在介绍其结构与特点的基础上，对其可靠性与动刚度进行深入分析，并提出几种常用润滑和冷却方式，为保证轴承运行稳定性与可靠性提供参考借鉴。
关键词：航空发动机；发动机轴承；轴承可靠性；轴承动刚度
如果轴承发生故障，将使航空发动机的转子产生剧烈振动，若未能及时发现和处理，将引发安全事故。所以，在发动机运转过程中，对轴承可靠性提出了很高要求，需要对轴承可靠性与动刚度进行综合分析、评价。
1轴承结构与特点
在航空发动机中，主轴承一般选用以下几种结构：短圆柱滚子式与双半内圈角接触球式。其中，前者具有很高的精度，对延长轴承使用寿命有利；和外圈之间存在很大相对轴向位移，能有效补偿由于温度变化产生的膨胀差；后者可以承受很大载荷，同也能承受径向上的载荷。主要分三点与四点接触两种，三点接触的轴向游隙相对较大，在非载荷半内圈会出现附加接触，有着良好的高速性能。而四点接触的轴向游隙则较小，同时轴向窜动可以达到最小，有较大的摩擦发热量，但高速性能相对较差[1]。
2轴承可靠性
（1）根据拟动力学理论与有限元方法，构建轴承的数学模型，对轴承载荷实际分布情况和特性进行研究，分析各结构参数及载荷参数造成的影响，包括轴承最大转速、接触刚度数值、接触角及变形情况。这两种方法得到的结果和通过实验得到的成果大体相同，但各具优势，对于有限元法，它具有较高的计算精度，而对于拟动力学法，则具有较高的计算效率。
（2）根据弹流润滑基本理论，对轴承油墨厚度及刚度与其特性进行分析，掌握各载荷参数造成的影响及其规律。对油膜刚度与接触刚度进行整合，通过推导得出轴承本身综合刚度，并提出等效刚度这一概念与相应的计算方法。
（3）充分考虑径向游隙以及滚珠等造成的影响，修正轴承疲劳寿命定量计算方法。通过研究可知，滚珠会对轴承的疲劳寿命造成影响，如果在计算过程中没有充分考虑滚珠这一因素，将对计算结果造成影响，产生很大的偏差[2]。
（4）基于接触理论与轴承运动学，对轴承的轴承力进行推导，构建相应的分析模型，并对波纹度与变刚度振动等对系统整体动力特性进行分析研究，掌握其中的规律。经研究可知，对于非线性轴承力，它会引起一定程度的变刚度振动；确定适宜的径向力、转速及阻尼，能有效降低非周期振动；因几何缺陷产生的波纹度，是产生振动的关键因素，需要引起高度重视，严格控制波纹度，以保证轴承可靠性。
3轴承动刚度
在航空发动机中，利用花键联轴器对涡轮转子与风扇转子进行连接，这一联轴器采用花键进行扭矩的传递，并采用圆柱定位面进行弯矩的传递，最后在轴向接触面上进行轴向力的传递。其中，花键是典型的间隙啮合，横向刚度与弯矩由圆柱定位面来实现。在联轴器中，左侧采用完全约束，在右侧进行径向加载，同时采用力显示仪与力传感器对加载力进行测量和显示；利用千分表对联轴器零件产生的径向变形进行测量，内外零件变形差就是加载力产生的变形。以试验台基本结构与特征为依据，对施加力进行测量时，量程在0.5-4.0kN范围内，如果超过5.0kN，则螺栓将被破坏。对联轴器刚度进行测量后，结果列于表1。
表1 联轴器刚度测量结果
轴承动刚度和相关试验数据对比如图1所示。需要注意的是，试验数据部分偏小，这是不合理的，因为伴随加载力不断增加，刚度将有所提高。试验时，加载起始中，一方面每个间隙都会增大径向变形，另一方面对联轴器产生的变形进行测试时，需要同时对上、下联轴器发生的变形实施测量，然后求取其平均值。但在实际操作过程中，由于操作空间有限，仅对下半部产生的变形进行测量，因上半部变形往往率先发生，所以比下半部大，使动刚度明显减小，并且产生很大的变化，形成类似于锯齿的曲线。另外，由于试验条件可能不适宜，所以在数据相对较小的部位，可能无法获得可靠数据[3]。
图1 轴承动刚度
伴随径向载荷不断增加，轴承孔和转子之间的距离呈非线性减小趋势。轴承孔和转子间的动刚度伴随润滑油黏度、径向载荷及轴承宽度不断增加而明显增大，但表面粗糙度和转子转速则明显减小。如果转子转速明显增加，则油膜的厚度将发生很大改变。当径向载荷增加时，轴承孔和转子间的摩擦因数将变小；当转子转速变快时，摩擦因数变大。伴随宽径比与偏心率的不断增加，转子自身承载量明显变大。
4轴承润滑及冷却
4.1喷射润滑
对于喷射润滑，有很多不同方式，如多喷嘴润滑、单喷嘴润滑和双向单喷嘴润滑。经研究可知，如果润滑油和保持架和内环引导面相对准，则轴承的实际温度可以达到最低。需要注意的是，如果轴承的DN值很高，则这种润滑方式的润滑效果往往较差。
4.2环下润滑
可满足DN值相对较高的轴承需要。环下润滑实际上就是润滑油从径向槽和径向孔到达轴承，再从轴承的内环进入到轴承，如此进行供油。该润滑结构主要由输油部与集油部组成。这一润滑方式的主要特点包括：（1）降低轴承实际温度，尤其是内圈温度，无论在哪一种工作条件当中，都低于外圈，利于内部间隙有效控制，同时还可以避免在高速轻载情况下内圈发生打滑，造成安全事故。（2）润滑油的流路科学合理，有极高的润滑油实际利用率。对于喷射润滑方式，其利用率不超过70%，但只要环下润滑合理可行，则润滑油利用率不低于80%以上，最大可以达到95%。（3）该润滑结构能有效降低损失，避免发生较大的功率损耗，同时降低污物造成损坏的发生几率。此外，还能在DN值相对较高的轴承中使用[4]。
4.3喷管润滑
该润滑方式在轴承之间的润滑中较为常用。因轴承之间轴承的内圈和外圈同时进行旋转，不能设置喷嘴，所以上述润滑方式都是不适用的。虽然环下润滑也能适应这种情况，但如果实际条件不满足，则需将喷嘴对准和轴线保持平行的油管。该润滑方式的润滑油流动较为困难，且穿透力也有待提升。所以其润滑和冷却往往不够充分，导致表面变成黑色，降低轴承的硬度。对此，需要在设计上给予重视：首先，适当增加喷射量；其次，增加管径，使内壁保持光滑，提高油路的通畅性；最后，采用具有较高耐热性的合金材料。
5结束语
综上所述，对于航空发动机轴承，其动刚度与可靠性是十分复杂的问题，在实际工作中要根据轴承实际受力情况，采取合理可行的分析和计算方法，并对轴承所处可靠性状态和动刚度进行综合评估，最后通过良好的润滑与冷却来保证轴承运行稳定性和安全性。
参考文献：
[1]田红亮，陈保家，董元发.包含转速的航空发动机转子与轴承孔径向非接触动刚度及试验验证[J].振动工程学报，2017（6）：893-903.
[2]杨法立，廖明夫，王四季.基于ANSYS的某型航空发动机轴承试验器支承刚度研究[J].现代电子技术，2014（13）：116-118.
[3]桑潇潇，廖明夫.航空发动机轴承内环松动理论研究[J].机械科学与技术，2017，36（1）：127-138.
[4]朱川峰，杨丹峰，张振强.角接触球轴承动特性的数值与试验研究[J].制造技术与机床，2015（1）：83-88.
论文作者:张强1, 张贤明2,王天哲3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/27
标签：轴承论文; 刚度论文; 联轴器论文; 转子论文; 载荷论文; 内圈论文; 可靠性论文; 《基层建设》2019年第1期论文;