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天顺娱乐防止轴承滑蹭损坏的措施和减小阻力增

作者: 天顺娱乐 来源: 天顺娱乐 发布时间:2018-12-16

  滚动轴承在工作时,滚子应在内外环滚道上作纯滚动,但在航空燃气涡轮发动机的主轴承(即支承压气机、涡轮转子的轴承)中,却常会出现打滑,形成滑动摩擦。

  由于滑动摩擦系数大于滚动摩擦系数,加上某些外来因素使得滚子与内外环滚道上形成干摩擦,引起滑蹭损伤———滚子内、外环滚道上出现蹭痕、表面局部磨损等,轴承一旦出现滑蹭损伤,表面光洁度被破坏,摩擦系数加大,加速了磨损过程,使滚子直径变小,滚道上出现不均匀的槽痕,使轴承损坏,且对转子的工作带来危害。

  滚动轴承工作时,有拖动保持架 滚子组合体运动的拖动力与阻碍该组合体运动的阻力。当拖动力大于阻力时,滚子在内外环间作纯滚动;反之,当拖动力小于阻力时滚子就不会作纯滚动而产生打滑现象。

  作用于保持架 滚子组合体的拖动力主要是轴承在外负荷作用下滚子在内外环滚动间的摩擦力;当保持架定位于内环上时,保持架与内环间的滑油油膜还能产生部分拖动力。

  而阻碍保持架滚子组合体运动的阻力则有:保持架 滚子的重量惯性力、滑油在轴承内的扰动力、保持架与外环滚道间的油膜黏性阻力(如保持架定位于外环时)等。

  一般机械中使用的滚动轴承由于转速低,始终有负荷作用其上,很少出现打滑现象。但是航空燃气发动机主轴承却很易打滑,这是因为转子轻,作用轴承上的径向负荷小,再加上飞机作机动飞行时会在某些情况下,使作用于轴承上的负荷更小,甚至出现零载,因而由摩擦产生的拖动力变得很小,甚至为零。

  对于滚珠轴承,由于它还要承受轴向载荷,所以一般不易打滑,但是如果在飞行包线内,转子的轴向负荷变向的话,在变方向的前后瞬间,轴承也会出现轻载、零载,引起打滑。

  斯贝发动机的民用型MK512在工作中,作用于低压转子的止推滚珠轴承的轴向负荷的方向不发生变化,但在它军用改型 MK202中,由于飞行包线大大扩大,即飞行高度由民用型的10km变为20km,飞行马赫数由民用型0.8左右变为2.2,在工作中出现作用于该轴承的轴向负荷会变方向,n2/√T1=644时(n2为高压转子转速,T1为发动机进口空气温度),作用于轴承上的负荷为零,大于或小于644时,作用力的方向相反,因而出现了严重的打滑现象。

  从另一方面看,航空燃气涡轮发动机转子转速高,滚动轴承的 DN值一般都大于 1.0×106(D 为轴承内径,mm;N为转速,r/min),滚动轴承在高转速下工作,滚子在高转速很大离心力的作用下,有与内环滚道分离的趋向,无法产生拖动力。

  由于发动机主轴承有这两个特点,因而容易产生打滑。因此,在现有发动机中,如不采用防滑措施,绝大多数主轴承均会打滑,且产生滑蹭损伤,对发动机的正常、可靠的工作构成威胁。

  (1)采用轻质材料作保持架,例如用重量轻的中硬度钢 AISI4340,采用空心滚子(这是一项当前正在研究的措施,尚未在发动机中得到应用)等以降低保持架 滚子的惯性力。

  (2)保持架不定位于外环上。在高速轴承上,为了使保持架在工作中逐渐达到完全平衡,一般将保持架定位于外环上,但它却增加了阻碍保持架 滚子组合体运动的阻力。为防止轴承出现滑蹭损伤,不应将保持架定位于外环。

  RB211 22B 发动机于1972年4月投入航线月,发现低压转子的止推滚珠轴承(为中介轴承)出现了四次滑蹭损伤,为消除打滑,将原定位于外环的保持架改为定位于内环,同时,在保持架内径处(即与内环滚道相邻的环面上)开了许多槽道,以使滑油顺利地流过轴承内,避免产生滑油的扰动,如图79所示。

  (1)减小轴承的游隙,使滚子在离心力作用下仍能保持与内环滚道的接触。例如 CFM56发动机支承高压涡轮的滚棒轴承(中介轴承)即用了小游隙来减少打滑;又如 WJ6发动机的压气机前轴承在长期试车中出现严重的滑蹭损伤后,将该轴承的游隙由0.070~0.095mm减小为0.045~0.065mm,消除了打滑现象。

  (2)将保持架定位于内环。例如前述的 RB211 22B 低压转子滚珠轴承将保持架由外环定位改为内环定位,不仅消除了保持架与外环滚道间油膜产生的阻力,而且增大了拖动力。

  (3)装配时,对轴承施加径向或轴向载荷,即对轴承施加预载,使轴承工作时,始终在内外环滚道与滚子间有负荷作用,不出现轻载或零载,以增大推动力。对轴承施加预载的办法有:

  ①采用非圆轴承。将轴承外环的外圆做成非圆,而机匣安装轴承的座孔仍做成圆的。当轴承压入轴承座孔中后,外环凸出部位即向滚子作用—预加的载荷,使滚子与内外环间始终保持接触,产生一定的拖动力。常用的非圆轴承有椭圆轴承外环与三瓣式的轴承外环。

  所谓三瓣式轴承外环是轴承外环的外圆上有3个均匀分布的凸出带,其工作原理同于椭圆轴承,只是它预载的方向多1个,CF680C2的高压涡轮前滚棒轴承即采用了这种结构,其每瓣的凸出量为0.431mm,由此也可以看出,该轴承如不采取措施,其打滑度是非常大的。

  在有的发动机上,非圆部分不做在轴承外环外圆上,而是做在内环外滚道上,其工作原理仍同于上述,例如 T700发动机的滚棒轴承即采用了这种结构。

  ②轴向弹簧对轴承施加预载。图46为J69轴流转子后轴承支座结构,是一种典型的用轴向弹簧施加预载的办法。

  J69的轴流转子前支点为止推支点,因此,后支点处应该采用滚棒轴承。但是,该转子很轻,仅11.5kg。 正常情况下,作用于后支点的径向负荷很小,而转子转速又高达22000r/min,很容易使该支点处的轴承打滑,采用如图46所示的结构即用带轴向弹簧预载的滚珠轴承取代滚棒轴承可防止打滑,这是因为在轴向弹簧的作用下,每个滚珠均始终与内外环滚道接触并有负荷作用,因而不易打滑。

  如前所述,斯贝发动机的军用型 MK202中,低压转子的止推滚珠中介轴承,在工作中作用的轴向负荷会变向而引起打滑,为此,也采用了用轴向弹簧对该轴承施加一向后的力,使该轴承总是承受向后的轴向负荷,图80示出了其结构图,该结构中采用了两个贝氏弹簧如图80中7、8所示,通过小轴承对止推轴承2施加向后的预载。通过试验、试飞,该弹簧施加的轴向力为712dN。

  除上述两大类解决轴承打滑的措施外,对于附件传动的轴承,也可以改用滑动轴承来消除滚动轴承的打滑。

  从理论上讲,附件传动机构中的轴承不会出现打滑现象,因为齿轮在工作时,始终对轴承作用有一径向负荷。但是,如果齿轮链排列不适当时,也可能没有负荷作用于轴承上,例如 PW4000发动机的附件传动机构中,传动离心通风器的中间惰轮(转速高达21000r/min)是用滚棒轴承支承于一根心棒上的如图81(a)所示,由于主动齿轮、惰轮和从动齿轮三者排列在一条直线上,使惰轮的滚棒轴承基本不承受径向负荷,因而在使用中出现了滑蹭损伤,为彻底解决这一问题,将此滚棒轴承改用了石墨轴瓦(滑动轴承),如图81(b)所示。

  RB211风扇转子的止推轴承为一中介轴承,由于风扇转子在工作中会出现轴向力方向改变,因而在投入使用(1972年4月)后不到半年,就出现过该滚珠轴承滑蹭损伤,于是采取前述的将保持架外环定位改为内环定位的措施,在一定程度上解决了问题。

  但是,由于轴向负荷换向问题没有解决,因此长期以来,在各种改型的 RB211中,还是偶尔出现该轴承的滑蹭损伤的事件。为此,在 RB211的最后改型的 RB211 524G/H(1989年投入使用)中,将卸荷用的平衡腔封严环处的直径由556.20mm增大为731.52 mm,消除了工作中转子轴向负荷换向的问题。

  基本上解决了该轴承的打滑问题。由 RB211 524G/H衍生发展的遄达发动机,也采用了大直径的平衡腔封严环。但在遄达发动机中仍然出现过该轴承打滑现象,因此,在低压涡轮后轴承处增加了一预载的滚珠轴承,参见《波音777及其所用发动机一些设计特点》一文。天顺娱乐

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