某型航空发动机主轴轴承的设计与分析(2)

发动机主轴轴承作为航空发动机的重要部件，直接影响发动机的可靠运转。主轴轴承设计技术对提高发动机的可靠性起着非常重要的作用，如何提高主轴轴承的高速性、可靠性成为重要课题。通过该课题的研究不仅可以解决当前某型发动机№3支点主轴轴承的设计应用问题，为某型发动机提供技术保障，提高发动机工作可靠性，还可以对航空发动机主轴轴承的设计理论有更进一步的认识。课题中采取的设计理论和试验分析手段可以对我国今后航空发动机主轴轴承的设计起到一定的借鉴作用。

1.2航空发动机主轴轴承的发展

随着航空科学技术的进步和发展，航空发动机正朝着高推重比、高单位推力和低油耗率、使用寿命长的方向发展[11-14]。近半个世纪以来，航空发动机技术取得了巨大的进步，军用发动机推重比从初期的2～3提高到7～8。最近几年，美国和西欧四国已经研制出推重比10的第四代涡扇发动机，如美国的F119和西欧的EJ200。美国先进战斗歼击机(ATF)发动机计划和随后的综合高性能发动机技术计划(IHPTET)，其总体目标是到2013年使推重比达到

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20，耗油率降低50%[15,16]。

现代航空发动机的推重比不断增大，且要求长寿命、高可靠性，这就决定了主轴轴承的发展趋势是高速、高温、重负荷、高可靠性、长寿命，也对主轴轴承提出了越来越高的要求。

随着发动机功率的增大，发动机主轴的尺寸和转速都在不断增大，这样就导致轴承的dn值增大。目前发动机主轴轴承的dn值一般都在1.5×106以上，这种高速在一般机械中是极少见到的。目前国外现役先进的发动机，如F-119、F-100等，其主轴轴承的dn值已达2.5×106左右,并正向更高dn值发展。

发动机主轴轴承由于高转速、重负荷，致使轴承温度也显著升高，同时，由于燃气温度的不断提高，在热传导的作用下，又进一步提高了轴承的工作温度。目前新型发动机热端部位主轴轴承的工作温度普遍超过200℃，最高可达300℃左右，停车后的温度还要更高[17]。

航空发动机主轴轴承是航空发动机的关键零件，被认为是航空发动机的心脏，其质量好坏，是影响发动机寿命和可靠性的重要因素之一，其可靠性对发动机至关重要。飞机在飞行过程中，如主轴轴承出现故障，其后果不堪设想。因此，提高航空发动机主轴轴承的可靠性一直是航空发动机研制生产中的一项十分重要课题。我国对高速圆柱滚子轴承和高速球轴承的研究起步较晚。近几年从不同角度对高速轴承进行了分析和试验，但这方面的研究还不够完善，有待于进一步探讨。

1.3国内外滚动轴承理论分析的现状

滚动轴承结构虽然比较简单，但是对高速滚动轴承进行理论分析则是一项比较复杂的工作，因此分析滚动轴承的特性需要建立比较实用的数学模型[18]。滚动轴承分析经历了三个发展过程，即静力学分析，拟静力学分析、拟动力学分析和动力学分析。

滚动轴承静力学分析首先涉及滚动体与滚道间的弹性接触问题和轴承整体变形与平衡问题。Hertz[8]研究了两个完全光滑的椭球形弹性体的弹性应力和变形，假设接触区域为椭圆，接触区应力呈半椭球体分布，用半逆解法并通过积分变换，对点接触与线接触问题给出了理论解。Stribeck[8]首先应用Hertz理论建立了球轴承的静力学分析模型，推导了滚动体的载荷分布，确定了受载最大的滚动体载荷与径向载荷之间的关系。随后Palmgren等[8]对轴承

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在径向、轴向和力矩载荷作用下的变形与滚动体载荷分布进行了分析，其中最大滚动体载荷直接影响轴承的疲劳寿命，是确定轴承可靠性的关键因素，通过轴承载荷分布的研究为轴承的结构设计提供了有效的方法[19,20]。伴随着喷气发动机等发展的需要，滚动轴承向高速化发展[21]。从上世纪50年代起对高速轴承质量要求的重点由尺寸精度、旋转精度转向动态特性指标，同时在滚动轴承的分析方面取得了显著的研究成果。60年代初，A.B.Jones[22]首先提出了拟静力学分析方法，Jones的拟静力学分析模型对轴承的真实载荷分布、疲劳寿命及刚度的计算还是比较准确的，至今滚动轴承的设计中应用仍非常广泛。随着弹性流体动力润滑理论的发展，滚动轴承中的润滑理论及计算得到很大发展。Harris[23]发展了Jones的理论，分析模型中考虑了润滑油对滚动轴承的影响，使滚动轴承的研究进入了拟动力学分析阶段。随后，Poplawski和Rumbarger[24,25]考虑了保持架与套圈引导面、滚动体与保持架兜孔之间的摩擦力，建立了更全面的滚子轴承拟动力学分析模型。随着现代高速计算机技术的发展，简单的静力平衡模型已逐渐被能模拟滚动轴承性能的先进动力学模型所取代。与静力学模型相比动力学模型的主要优点是求解轴承零件的运动微分方程以取代静力平衡方程，从而能有效的模拟轴承零件的滑动、倾斜、保持架的不稳定性、润滑油的牵引性能乃至随时间而变化的运转状况等动态特性。八十年代初Gupta.P.K与C.T.Walter[26-28]先后建立了轴承拟动力学分析模型，引入了运动微分方程，描述了轴承在任一时刻的运动状态，并运用数值差分的方法进行了计算。Meeks[29]于1985年提出了自己的动力学模型，滚动体和保持架的相互作用被看成是在接触表面的法向力和摩擦力作用的有阻尼弹簧，滚动体在沟道上的滑动模拟成粘性滑动阻尼，但是由于只考虑了轴向载荷以及仅限于固体润滑等，使得程序通用性不强。1996年，Meeks[30]又对自己的模型进行了改进，在模型中考虑了普遍受载的情况和流体润滑，认为球和套圈间的拖动力是接触应力、滑动速度的函数并直接由Walters得到的公式计算出拖动力。Meeks的动力学模型考虑因素较完整，但计算量仍然很大，实际中也很少应用。Guangyoung Sun等[31]建立了动力学方程计算动态接触载荷，从而预测轴承寿命。Cretu等[32]对圆锥滚子轴承建立了拟动力学模型用来获得载荷分布、接触区压力分布，动力学模型用来获得保持架打滑率、滚子和保持架的碰撞力。

近年来国内开始使用拟动力学方法对滚动轴承进行性能分析。罗祝三等人[33]建立了轴向受载的高速球轴承的拟动力学模型，放弃了套圈控制假设，建立了仅受轴向载荷的轴承分析模型，考虑了弹性流体动力润滑，通过求解

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运动特性分析方程得到各元件的运动状态、受力情况和疲劳寿命，但不能分析联合载荷作用的情况。袁茹等[34]建立了高速滚子轴承的拟动力学分析模型，研究了滚子凸度和歪斜对轴承工作性能的影响，但只考虑内圈2个自由度、保持架的1个自由度，也未考虑弹性流体动力润滑的影响。张成铁等[35]将弹性流体动力润滑理论引入了滚子轴承拟动力学分析模型中，分析了载荷、转速及滚子数等参数对轴承打滑的影响，但未考虑保持架的偏心。周延泽、赖拥军等[36,37]分别建立保持架的动力学分析模型，得出保持架的共振是导致保持架破坏的重要因素，滚动体冲击引起的共振是造成保持架断裂的主要原因，并给出了保持架的自由模态。此外，罗继伟、刘春浩等一批学者也做了大量工作[38-41]。他们在滚动轴承的额定载荷与寿命模型分析、弹性接触问题分析、振动的力学模型分析等方面的研究成果丰富了轴承力学分析理论。

1.4本论文的主要研究内容

本课题针对某型发动机的№3支点主轴轴承进行设计，通过计算分析各项数据选择是否合理，并通过试验来验证轴承设计是否满足发动机的使用要求。主要进行以下几方面的工作：

1、轴承的使用要求分析：针对高dn值、重载轴承的特点和潜在失效模式分析，找出轴承使用的薄弱环节，提出有效解决措施。

2、轴承的优化结构设计：在传统的结构设计基础上，针对最大疲劳寿命的优化目标开展了优化设计。

3、采用拟动力学的分析方法对轴承动态运动特性进行分析，计算载荷、转速、结构参数对轴承旋滚比、接触应力的的影响变化趋势。

4、对影响轴承寿命和可靠性的各种因素进行综合分析，结合各设计方案动态性能指标的比较结果，得出最佳方案。

5、试验分析：通过对轴承试验过程中的指标监控，验证轴承设计的合理性，确定最终设计状态。

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第2章某型航空发动机主轴轴承的设计

2.1航空发动机轴承的特点

2.1.1航空发动机轴承的工作特点

航空涡轮喷气发动机由压气机、燃烧室、涡轮和推进喷嘴四个基本部分组成。空气经压气机压缩，由燃烧室喷射燃料燃烧，产生高温高压气体，而后由推进喷嘴高速喷射产生动力，并通过涡轮和主轴将动力的一部分传递给压气机[42]。压气机和涡轮主轴均使用滚动轴承支承。通常在压气机端使用球轴承以确定主轴位置，涡轮端使用圆柱滚子轴承便于吸收受热后主轴轴向的热膨胀位移。这些部位的轴承统称为航空发动机主轴轴承。航空发动机采用滚动轴承的基本原因是最大限度地减轻重量，减小摩擦和功率损失，减少滑油量和冷却需求量，并且能够经受大的短时过载，如机动飞行负载，强烈的着陆负载以及由涡轮机损坏(叶片断裂)引起的大的不平衡载荷。

在许多状况下，航空发动机轴承与汽车和工业设备用轴承相似，但存在三个主要不同之处。航空发动机轴承通常要求工作在比其它工业轴承要高得多的转速、载荷和温度下。随着发动机效率趋于越来越高，飞机性能趋于越来越好，轴承的工作环境亦变得起来越苛刻。轴承设计应考虑诸如高转速、高承载能力、润滑和冷却、合适的游隙及防止轴承保持架共振断裂等因素。同时在极端条件下如：飞机俯冲所引起的油箱油位变化所造成的润滑油中断情况以及在高速轻载下滚动体在套圈中的滑动，仍能保持轴承的可靠度。通常航发主轴轴承是以L1(可靠度为99％)寿命评价其疲劳寿命值的[43,44]。

1 高dn值 dn值是指轴承内径d(mm)和转速n(r/min)的乘积。由于发动机转速的提高及主轴直径的不断增大，引起轴承dn值的提高。dn值的提高会给轴承的工作造成许多不利的影响。在球轴承中，如果dn值超过1.5×106，钢球将产生相当大的离心力压向外圈，这种离心力会降低轴承的疲劳寿命。轴承运转时因离心力的作用，还将引起滚动体与内、外圈接触角的改变，出现内圈接触角增大而外圈接触角减小。这将使钢球的自旋速度增加，球与沟道之间的滑动加剧，摩擦热增加，接触温度升高等不良后果，从而加速轴承的损坏。在滚子轴承中，由于高的dn值的作用，除了引起摩擦副之间的摩擦

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加剧外，还由于惯性增大，润滑油的搅拌频繁，阻力剧增，会引起打滑现象。其后果是造成零件的蹭伤，有时还会出现滚子歪斜，引起滚子端面磨损，造成轴承的失效[45]。

2 高温 对于涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，涡轮入口处温度越高，压气机压缩比越大，则发动机的性能越好。随着涡轮及燃烧器材料的不断改进，近30年来，涡轮入口温度大约提高了600℃，目前的温度已达1400℃，轴承的工作环境温度也大幅提高。在高温条件下，轴承的材料硬度会降低，摩擦系数也会降低，摩擦热增加，导致轴承承载能力下降，减小轴承的疲劳寿命；同时也对轴承的润滑提出了较高的要求，采用常规的润滑方式会出现热量不能散发出去，出现严重的温升，甚至发生烧毁轴承现象。

3 载荷 作用在航空发动机主轴轴承上的载荷，按其作用力的方向，可分为轴向载荷及径向载荷两种。按载荷性质，可分为重力载荷、转子响应载荷、预加载荷、推力载荷和机动载荷五种。载荷对轴承的影响，虽然不像速度和温度那样突出，但也是轴承能否正常工作的一个重要因素。

重力载荷指轴承所承受的转子、叶片的重量。转子响应载荷指转动的零部件产生的动不平衡力，为施加在轴承上的径向载荷。预加载荷指给承受载荷较小的轴承施加一个额外施加的载荷，避免轴承在运转过程中出现轻载打滑现象。推力载荷指作用在转子上气动力的轴向合力，该力以推力载荷的形式作用在轴承上，该轴向力随发动机的工作状态增减。机动载荷指飞机在作机动飞行时，由陀螺力矩产生的一种径向载荷，与转速和转动惯量有关。

2.1.2航空发动机轴承的结构特点

1 结构形式航空发动机球轴承基本上采用角接触球轴承。角接触球轴承主要承受发动机转子的轴向载荷，以限制主轴的轴向窜动，所以又叫止推轴承。角接触球轴承一般都采用双半内圈三、四点角接触球轴承，可承受双向轴向负荷，也可承受部分径向载荷，见图2-1。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。四点接触球轴承轴向游隙小，轴向窜动最小；承受的径向载荷大于轴向载荷时易发生多点接触，摩擦发热量大；随着轴承转速的提高，离心力加大，外圈无载荷一侧很容易产生附加接触，高速性能不好。三点接触球轴承轴向游隙较大，球与外圈总是一点接触，非载荷半内圈上可能产生附加接触；在轴向载荷大于径向载荷时，特别是高速下，由于离心力的作用，钢球压向外圈时不容易产生附加接触，高速性能

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