某型航空发动机主轴轴承的设计与分析

工程硕士学位论文

某型航空发动机主轴轴承的

设计与分析

高 亮

哈尔滨工业大学

2009年3月

中图分类号：V229+.2

U.D.C:621

工程硕士学位论文

某型航空发动机主轴轴承的

设计与分析

硕士研究生：高 亮

导师：谢 涛 教授

副导师： 兴长喜 高级工程师

申请学位级别：工程硕士

工 程 领 域：机械工程

所在单位：驻哈尔滨轴承集团公司军事代表室

答辩日期：2009年3月27日

授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: V229+.2

U.D.C:621

Dissertation for the Master Degree in Engineering

STUDY ON A CERTAIN BEARINGS OF AIRCRAFT ENGINE

Candidate:Gao Liang

Supervisor:Prof. Xie Tao

Associate Supervisor：Senior. Engr. Xing Changxi

Academic Degree Applied for:Master of Engineering Mechanical

Engineering Field:Mechatronics Engineering

Affiliation: Military Delegate Office of PLA for HRB Bearing Group

Date of Oral Examination:27th, Mar, 2009 University: Harbin Institute of Technology

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摘要

某型号航空发动机高压压气机前支点轴承具有高温、高速、重载的特点。在国内使用的各类发动机主轴轴承中，该轴承的dn值最高，承受的轴向载荷最大。正是由于其复杂的工况条件需要在设计和研制该轴承的的过程中必须加强对其各方面性能和可靠性的研究，传统结构的轴承设计已经不能满足该型号发动机对轴承的性能要求，该轴承的性能能否得到提高将直接影响着某型号航空发动机的使用寿命和可靠性。因此，研制出能够满足性能及可靠性要求的航空发动机主轴轴承，为某型号航空发动机提供可靠的技术保障，具有非常重要的理论意义和应用价值。

本文在探讨航空发动机主轴承的性能和技术等特点的基础上，根据国内外的相关研究成果，确定了本论文所研究轴承的相关方案，尤其是在设计中选用的材料、润滑方式及基本的结构与方案，着重对轴承在使用过程中可能出现的早期失效进行了分析，并根据具体情况给出了相应的预防措施。在研究中根据结构及应用要求开展了轴承具体参数的相关分析和研究，给出了几方面重要参数的具体算法，并采用优化设计方法，针对疲劳寿命最大的设计目标进行了优化设计。为了研究和分析该轴承的动态特性，本文建立了滚动轴承的拟动力学分析模型，在此基础上分析了不同的工况参数和结构参数对滚动轴承动态性能的影响和变化趋势，通过对滚动轴承疲劳寿命的影响因素进行分析，修正了疲劳寿命计算公式，经过比较确定了最终设计方案。

最后为了验证相关研究和轴承性能，本文开展了该型号航空发动机轴承试验器试验，并对轴承的结构和设计参数的合理性进行了考核，验证了轴承在各种工况条件下的工作能力和满足发动机翻修间隔期使用寿命的能力。在试验器试验过程中，对轴承的温度、载荷、转速等参数进行了监控，获得了各参数之间相互影响的规律。本文的研究方法和结论对改进航空发动机主轴轴承的设计起到了积极的促进作用，适用于其它应用场合的高速滚动轴承。本文设计研究的轴承经过试验考核，已经在我国某重点型号航空发动机上使用，性能良好。

关键词：航空发动机；滚动轴承；优化设计；动态性能分析；试验器试验

- -I

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- - II Abstract

With the characteristics of high temperature, high speed and heavy load, the front support bearings of certain type of aeroengine high pressure air compressors have the highest dn values and take the heaviest axial load in various kinds of domestic aeroengine main bearings. As the severe working conditions are in urgent need to strengthen the research of imduvidual properties and reliability during designing and developing such bearings and the bearing design for the traditional structure can hardly meet the engine requirements for the bearings, whether or no, upgrading the bearing performance will directly hold up the service life and reliability of certain type of aeroengines. Therefore, it is of great significance both in theory and practice to develop the aeroengine main bearings which can meet the property and reliability requirements for aeroengine main bearings, in order to supply technical assurance for certain type of aeroengine.

On the basis of approaching the characteristics the property, technology and others of aeroengine main bearings and in accordance with the relevant research results at home and abroad, this paper has determined the relevant schemes for researching the bearings, especially including the selected materials, lubricating mode, basic structure and schemes as well as the analysis of the bearing early failure happening in service as well as taken relevant protective measures according to specific conditions. During research, in accordance with the structure and application requirements, the related analyses and survey of specific bearing parameters have been carried out to obtain the specific algorithm for inpidual key parameters, to adopt optimized design method and to work out optimized design for designing aim subject to fatigue life. In order to survey and analyze the dynamic feature of the bearings the bearing simulated dynamic analysis model has been established in this paper, while various working condition parameters and structure parameters how to influence the kinematics feature of rolling bearings and the changing trend as well as the key factors on rolling bearing fatigue life have been analyzed to obtain modified equation for bearing life calculation based on the above, so that the final design scheme is

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- - III decided by comparation.

Finally in order to verify the related research and bearing performace the experiment on this type of aeroengine bearing test machine has been made, the examination of the reasonableness of the parameters used in bearing structure and design have been conducted and the bearing working ability under various operation conditions and the life endurance in the engine overhaul interval has been verified in this paper. During the test machine operation, the bearing parameters, such as temperature, loads, rotating speeds and others are monitored so as to obtain the interactive patterns among inpidual parameters.The research method and results in this paper plays an active part in promoting the upgrading of aeroengine main bearing design, suitable for other applieations of high speed rolling bearings as well. The bearings designed and developed in this paper have passed the test and examination, namely, they have been used in some key types of domestic aeroengine with excellent performance.

Keywords: aeroengine, rolling bearing, optimized design, dynamics property

analysis, test machine testing

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目录

摘要............................................................I Abstract.......................................................II

第1章 绪论 (1)

1.1 课题来源及研究目的和意义 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 研究目的和意义 (2)

1.2 航空发动机主轴轴承的发展 (2)

1.3 国内外滚动轴承理论分析的现状 (3)

1.4本论文的主要研究内容 (5)

第2章 某型航空发动机主轴轴承的设计 (6)

2.1 航空发动机轴承的特点 (6)

2.1.1 航空发动机轴承的工作特点 (6)

2.1.2 航空发动机轴承的结构特点 (7)

2.1.3 航空发动机轴承的润滑特点 (9)

2.1.4 航空发动机轴承的材料特点 (11)

2.2 高压压气机前轴承的结构设计 (13)

2.2.1 设计要求 (13)

2.2.2 潜在失效模式分析 (15)

2.2.3结构设计 (16)

2.3 针对轴承疲劳寿命的优化设计 (22)

2.4 初步设计方案 (24)

2.5 本章小结 (25)

第3章 轴承的运动学关系与性能分析 (26)

3.1 轴承的简单运动学关系 (26)

3.2 高速球轴承拟动力学模型 (28)

3.3 球轴承拟动力学模型的求解 (43)

3.4 工况参数对轴承动态性能的影响 (45)

3.5 结构参数对球轴承动态性能的影响 (47)

3.6 磨损寿命的比较 (49)

- -1

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3.7 疲劳寿命的比较 (50)

3.7.1 额定寿命的修正 (50)

3.7.2 疲劳寿命的比较 (53)

3.8 设计方案确定 (54)

3.9 本章小结 (54)

第4章轴承的试验器试验 (55)

4.1 试验验证 (55)

4.1.1 试验目的 (55)

4.1.2 试验设备 (55)

4.1.3 试验要求 (57)

4.1.4 试验数据分析 (60)

4.1.5 试验轴承分析 (61)

4.2 本章小结 (65)

结论 (66)

参考文献 (67)

攻读硕士学位期间发表的学术论文 (71)

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (72)

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (72)

致谢 (73)

个人简历 (74)

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第1章绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.1.1课题来源

某型发动机是我国最新研制的大推力涡轮风扇航空发动机，被列为国家重点型号武器装备研制项目。该发动机主轴系统由5个主轴轴承进行支承，№1、№2和№5支点以1—1—1的形式支撑低压转子；№3和№4支点以1—0—1的形式支撑高压转子，见图1-1。本课题研究的№3支点轴承为双半内圈三点角接触球轴承，安装在该发动机高压转子前端，最高转速达到15040r/min，最大轴向载荷短期可达到4000kgf，工作温度≥200℃，dn值(d为以毫米计的轴承内径，n为每分钟的转速)：2.0×106mm?r/min。双半内圈三点角接触球轴承可承受双向轴向负荷，也可承受部分径向载荷。这种结构最突出的优点就是可最大限度地增加钢球的数量，以提高轴承的承载能力；便于分解检查；还可以使用高强度的整体结构实体保持架[1-3]。但实践证明，该结构轴承在高速下，由于离心力的作用，外圈接触角减小，内圈接触角增大，使钢球自旋速度加大，钢球和滚道间滑动摩擦加剧、发热量增加，接触温度升高；在工作状态下还可能发生不正常的多点接触，产生异常的摩擦磨损，加剧轴承温升，从而加速轴承疲劳损坏，甚至造成轴承瞬时高温卡死，因此在设计过程中必须对内部几何参数进行优化设计，保证轴承在实际工作中钢球与套圈滚道形成二点接触，避免多点接触，减少摩擦［4-8］。

№1№2№3№4№5

图1-1发动机支点形式示意图

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№3支点轴承在国内使用的中外发动机主轴轴承中，dn值最高、承受的轴向载荷最大，复杂的工况条件对轴承性能和可靠性提出了极高的要求。根据№3支点轴承的研制要求，常规轴承设计理论很难满足工况要求，需要采取先进合理的设计理论和试验分析手段，通过设计、试验、改进等一系列的分析验证过程，才能制造出满足技术性能要求的轴承产品。

1.1.2研究目的和意义

第二次世界大战后,喷气技术推动了世界航空工业的大发展，涡轮喷气式歼击机普遍代替了活塞式歼击机，飞机的飞行速度和高度迅速提高。随着喷气技术的发展，美国通用电气公司(GE)于上个世纪五十年代最早推出了涡扇发动机。涡扇发动机由于效率高，油耗低，飞机的航程远等优点，引起了世界各国的高度关注，并得到了长足的发展［9,10］。目前，涡扇发动机不仅使用在军用飞机上，而且广泛使用在民用客机上，甚至已经取代了涡轮喷气发动机的地位。但是，随着涡扇发动机性能的不断提高，推重比的不断增加，发动机主轴轴承dn值不断增加，轴承的工作温度不断升高，主轴轴承的可靠性能已经成为制约航空发动机发展的瓶颈。高dn值、耐高温轴承一直是世界各国轴承公司多年来研究的一大课题。

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