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航空發動機主軸軸承性能試驗機

2020-11-27 來源：中國航發湖南動力研究所直升機傳動實驗室作者：王（wáng）杏（xìng）楊兵華滿維（wéi）偉

摘要: 現有試驗機不具備環境溫度、極限載荷、加減速等工況模擬（nǐ）功能，且控製方式落後，測試參數較少，難以滿足航空發動（dòng）機（jī）主軸軸承（chéng）試驗研究要求。因此，研製了一種航空（kōng）發動機主（zhǔ）軸軸承性能試驗機，詳細介紹了該試驗機各組成係統（tǒng）及功能，試驗機研製完成後進行的（de）多項試驗表明:該試驗機方案（àn）合理，工作可靠，功能較為完備，可為同類型（xíng）試驗機的研製（zhì）提供一定參考。

關鍵詞: 滾動軸承;航空發動機（jī）;試驗機;性能;設計

航空（kōng）發動機主軸軸承(簡稱主軸軸承)是（shì）發動機轉子組件的（de）重要組成部分，具有轉速高、dn 值高、可（kě）靠性高等特點，其性能直接影響發動機的可靠性和壽命，甚至危及飛機和（hé）人（rén）員的安全［1］。

目前，在結構設計、可靠（kào）性、多樣性等方麵，國內主軸軸承均難（nán）以（yǐ）滿足發（fā）動機快速發展的需求。因此，需要開展主軸軸承的試（shì）驗研究，通過模擬（nǐ）實（shí）際的複雜工況，獲得主軸軸承在各種工況下的性能參數，指導其設（shè）計改進並提高可（kě）靠性。同時，通過試驗機進行（háng）軸承性能（néng）試驗可以獲取主軸軸承安（ān）全運行的（de）設計邊界條（tiáo）件數據，確定其安全運（yùn）行範圍，並研究主軸軸承跨邊界條件（jiàn）後可能產（chǎn）生的影響及失效模式和失效特性。針對現有試驗機不具備環境溫度（dù）、極限載荷、加減速等工況模擬功能（néng），且（qiě）存在控製方（fāng）式落後、測試（shì）參（cān）數較少等問題，研（yán）製一種航空發動機主軸軸承性能試驗機（jī），以滿足主軸軸承的試驗（yàn）研（yán）究要求。

1 、試驗機結構

試驗機用於航空發動機主軸（zhóu）軸承(角接觸球軸承（chéng）、圓柱滾子軸承（chéng）) 各種應用特（tè）性的試驗，如加速特（tè）性試驗、載荷譜（pǔ）循環試（shì）驗、載荷換向（xiàng）試驗（yàn）、環境溫度試驗、斷油試驗及（jí）潤滑特性試驗等（děng）。

試驗機主要由主體，試驗軸承潤滑係（xì）統，設備潤滑係統，加載係統（tǒng），空氣係（xì）統，測控係統，打滑度測量係統，溫度場（chǎng）測量（liàng）係統，軸承故障診斷係統，潤滑油在線檢測係統（tǒng），安全防護裝置，輔助工藝係

統等組成。試驗機三維模型及工作原理分別如圖1，圖 2 所示。

圖 1 試驗機的三維模（mó）型

圖 2 試驗（yàn）機的工作原理

1. 1 主體

如圖 3 所示，試驗機的主體采用臥式結構，主要由試驗平（píng）台、電動機（jī）、增速器（qì）、試驗（yàn）轉（zhuǎn）接段、聯軸（zhóu）器和安裝座等組成（chéng）。其中，試驗（yàn）轉（zhuǎn）接段(圖 4) 主要包括箱體、試驗軸承、加載軸（zhóu）承、軸承座、試驗

軸、軸承腔、加載油缸、供（gòng）油組件等。除了軸承為外購（gòu）件，其餘部（bù）件均為自（zì）行設計［2］。

1—試驗轉接段;2—聯軸器（qì） 1;3—增速器;4—聯軸器 2;5—電動機;6—電動機安（ān）裝座;7—平台;8—增速（sù）器安裝座;9—轉接（jiē）段安裝座

圖 3試驗機主體結構示意圖

1—下箱體;2—軸承座;3—試驗軸;4—上箱體;5—油（yóu）缸（gāng）

圖 4 試驗轉（zhuǎn）接段結構示（shì）意圖

1. 2 試驗軸承潤滑係統

試驗軸承潤（rùn）滑係統的作用是（shì）為試驗軸（zhóu）承（chéng）提供（gòng）潤（rùn）滑，采用電液（yè）比例溢流閥遠程控製供油壓力與（yǔ）供油流量。供油溫度（dù）的控製方式為:在係統油箱內設置電加溫器將（jiāng）潤滑油加溫至 80 ℃;在供油管路上設置二次加溫裝置，使噴嘴出口（kǒu）溫度達（dá）到試驗要求的溫（wēn）度（dù）;在回油路上設置冷卻係統，使潤滑油進入油箱時溫度不高於 80 ℃。

試驗軸承潤滑係統的主要技術指標如下:供油壓力範圍為 0 ～ 1 MPa;第 1 路供（gòng）油溫度為（wéi）室溫～80 ℃ ;第 2 路供油溫度為（wéi）室溫（wēn）～ 150 ℃ ;第 1 路供油流（liú）量為 20 L/min;第 2 路供油流（liú）量為 30 L/min。

1. 3 設（shè）備潤（rùn）滑係統

設備潤滑係統（tǒng）的作用是為試驗機的增速器軸承提供潤滑和冷卻，其主要技術（shù）指標（biāo）如（rú）下:壓力調節範圍為 0 ～ 0． 6 MPa;最大供油流量為（wéi） 60 L/min。

1. 4 加（jiā）載係統

加載係統由液壓油源、子站、控製器、油缸、伺服閥等部件組（zǔ）成（chéng），通過液壓油缸向試驗軸承施加徑向載荷（hé）和軸向載荷［3］，油缸壓（yā）力由電液伺服閥進行（háng）控（kòng）製［4 － 5］。加載（zǎi）係統主要技術指標如下:

係統壓力為 21 MPa;係統流量為 63 L/min;載荷控製精度為 ± 3% F． S;控製器為 4 通道。

液壓油（yóu）源為加載（zǎi）油缸（gāng）提供液壓油，油源集成在一台（tái）可移動油車上;為降低噪（zào）聲，選用低噪聲電動機和油泵。子站具有分油、穩壓等作用，子站上裝有分油閥塊、伺服閥、蓄能器等元件。選用電液比例伺服閥和 4 通道控製器控製試（shì）驗載荷。為提高加載（zǎi）精度和（hé）響應速度，選（xuǎn）用液壓支承油缸，該類型油缸無密封件，因（yīn）此摩擦力非常小。

1. 5 空氣係統

空氣係統為試（shì）驗軸承提供熱氣源，以（yǐ）模擬軸承的（de）環（huán）境溫度。空氣係統主要由控製櫃、電加熱（rè）器、減（jiǎn）壓閥、冷卻消音裝置、質量流量（liàng）計等組成，采用本地與遠程控製，配有水冷式散熱器，對排氣進行（háng）冷卻。主要技術指標如下:空（kōng）氣係統進氣溫度為室溫;供（gòng）氣流量為 0 ～ 50 g /s;供氣壓力為≤0． 8MPa;供氣（qì）溫度為室溫～ 500 ℃ ; 控溫精度為 ± 5℃ ;係統( 排至大氣) 出口溫度為 60 ℃ 。

1. 6 測控係統

測控係統具有控製、測試、監視和（hé）報警保護等功能。

1. 6. 1 控製功能

控製部分（fèn）由（yóu）可編程序控製器、變頻器、溫度控製儀、智能晶閘管模塊、電動機保護型斷路器、接（jiē）觸器和按鈕（niǔ）等元器件組成，具（jù）有主拖動功（gōng）能和輔助（zhù）拖（tuō）動功能。主拖動功能控製電動機的啟/停和試驗轉速的調節（jiē）;輔助拖動功能控製潤（rùn）滑油係統油泵以及液壓係統油泵電動機的啟/停。載荷則由 MTS 控製器進行控製。

控製（zhì）功能具有（yǒu）自動控製和手動控製 2 種（zhǒng）控製方式，兩者之間能快速（sù）無擾動地（dì）進行切換。手動控製方式主要用（yòng）於調試階段，通過手動方式控製試驗機的運行;自動控製時，係統在計算（suàn）機（jī）控製下根據預先設定的試驗（yàn）程序準確、可靠地控製各執行元器件的動作，以實現試驗轉速及試驗載荷的自動控製功（gōng）能。試驗（yàn）程序各階段的工作時間、載荷、轉（zhuǎn）速可（kě）獨立（lì）設定和調整。

1. 6. 2 測試功能

測試部分由數據采集平台、數據采集櫃、測試計算機、測試軟件、傳感器、儀器（qì）儀表等組成，對試驗機各參數進行實時采集和測試，實現各（gè）參數顯示、記錄，超限報警及保護等（děng）功能，並參與試驗機邏輯控製及安（ān）全保護控製（zhì）。試驗（yàn）機測試參數包括轉速、載荷（hé）、振動、油壓、潤滑油流（liú）量、潤滑油溫度、空氣流量、空氣溫度、液位及金屬末等。

1. 6. 3 監視功能

試驗機可對（duì）試驗（yàn）現（xiàn）場的旋轉部位和關鍵部位進行（háng）監視（shì），並對試驗機進行全貌（mào）和（hé）局部特寫（xiě）的觀察和圖像記錄，以保（bǎo）證操作（zuò）人員能夠（gòu）安全、直觀和及時地掌握試驗件及試驗機運行情況，預防（fáng）意（yì）外情況的發生，提高試驗安全性。

配備的大尺寸（cùn）顯示器可實時顯示主（zhǔ）要試驗參數及（jí）其運（yùn）行曲線，供（gòng）參試（shì）人員觀看了解（jiě）試驗情況。出現試驗件損壞等（děng）故（gù）障時，試驗（yàn）機能進（jìn）行圖像回放，幫助技術人員快速準確地分析故（gù）障（zhàng）位置。此（cǐ）外，為便（biàn）於操縱間與試（shì）驗間的實時通信，試驗機配備有語音通話功能。

1. 6. 4 報（bào）警保護功能

試驗（yàn）機具有完善的報警保護功能，當試驗（yàn）運行時出現超載、超速、超壓、超溫、油濾堵（dǔ）塞、振動過大等故（gù）障時，能及時報警，提示試驗人員進行適當處理。當載荷、轉速、軸承溫度、潤滑油流量、空

氣（qì）溫度、空氣流量等參數超過設定（dìng）的危險值（zhí）(報警值和危險值可根據要求設定)時，能自動卸載（zǎi）和停車保護，同時保（bǎo）存當前的試驗（yàn）參數。

由於高壓、高速、高溫的試驗（yàn）特點，對試驗安全（quán）性要求比較高（gāo），要（yào）求試驗前需先啟動潤滑（huá）係統各油泵電動機，且測試係統無故障停車信號（hào）輸出，才能（néng）啟動電動機。因此，將各油泵電動機的啟（qǐ）動信號（hào）(常開點)以及測試係統故障（zhàng）停車信號(常閉點)作為（wéi）電動機的啟動條件之一，實現電動機的連鎖保護控製功能。

1. 7 打滑（huá）度測試係統

打滑度測量係統用於測量軸承的打滑度，為研究高速、輕載軸承在（zài）一定（dìng）工況條件下的（de）打滑（huá）特性提（tí）供數（shù）據。打（dǎ）滑度測量係統由保持架轉速測量（liàng）傳感器、信號傳輸導線、信（xìn）號采集器、分析軟件及顯示儀（yí）器組成。

1. 8 溫度（dù）場測試係統

溫度場測試係統用於試驗過（guò）程中軸承溫度場測量(端麵溫度)，研究軸承的內（nèi）圈、外圈、保持架、滾動體之間（jiān）的溫度分布（bù）情況，在進行斷油試驗時尤其（qí）有用（yòng）。溫度場測量（liàng）係統由紅外攝像頭（tóu）和數據處理計算（suàn）機組成（chéng）。該係統基於紅（hóng）外熱成像原理，利用攝像頭拍攝物（wù）體的紅外圖像顯示物體所輻射的熱量（liàng），通過不同的顏色組（zǔ）成反映物體的表麵（miàn）溫度。

攝像頭通過安裝架安裝在平台上，透過試驗箱體上的觀（guān）察窗對試驗軸承（chéng）進行拍攝。觀察窗上裝有特製的鍺玻璃蓋，以便於紅外線穿過（guò）而不影響（xiǎng）溫度測試精度。

1. 9 軸承故（gù）障診（zhěn）斷係統（tǒng）

軸承故障診斷係統用於對（duì）試驗軸（zhóu）承進行（háng）在線監測，通過拾取軸承（chéng）座的振動、分析衝擊脈衝信號以（yǐ）判斷軸承的運行狀態。對研（yán）究軸（zhóu）承（chéng）的故障模式、故障產生原因、故障發展情況有很大幫助。

1. 10 潤滑油在線檢測係（xì）統

潤滑油在線檢測係統（tǒng）主要對試驗過程中潤滑油回油管路裏的金屬顆粒大小和（hé）數量進行監測，通（tōng）過對回油管路中顆粒數量和大小的增長趨勢進行分析，判斷軸承的運行狀態，便於發現軸承（chéng）早期故障。係統主要由金屬末傳感器、信號采集器、檢測軟（ruǎn）件、計算機等組成。

1. 11 其他方麵

1) 試驗機的最高工（gōng）作轉速為 70 000 r / min，經綜合對比後選用 LMW13 型高速膜盤聯軸器，用於連接增速器輸出軸和（hé）試驗軸。

2) 選用 TD6 － 66 型疊片聯軸（zhóu）器（qì）用於連接主電動機輸出軸和增（zēng）速器輸入軸，最高工作轉速為3 000 r / min，最大工作扭矩為 300 N·m。

3) 試（shì）驗機為高溫、高速試驗機，為（wéi）防止高速旋轉部件飛出傷人，並對試驗時產生的油霧進行淨化，降（jiàng）低環境汙染，試驗機（jī）配備有安全防護裝置［6］。該裝置由防護罩、油霧淨化裝置、攝像頭、照明燈組成。油霧淨化裝置安裝在防護罩（zhào）頂上，有吸（xī）氣管通（tōng）入防護罩內，試驗時開啟該（gāi）裝（zhuāng）置，將試驗轉接裝置和增速器排出的油霧經過濾後排出。攝像頭(含雲台（tái）)安裝在防護罩內(上部)，在操縱間可通（tōng）過雲台控製器調整攝（shè）像頭角（jiǎo）度和焦距，以監視試驗機的運行狀態。在試驗機主體兩邊安裝導軌，防護罩底部裝輪子，試驗時移動防護罩將試驗（yàn）機主體（tǐ）罩住，安裝試驗件時可將防護罩移（yí）開。

采用電動機構移動防護罩。防護罩兩端裝雙開門，移動時（shí）將門打開，試驗機運行時將兩端門（mén）關（guān）上。

2 、試驗機的調試（shì）及使用

試驗機完成安裝，進行了各係統單項調（diào）試和整機聯調，過程中發現並解決以下問題:1) 在管路加熱器出口增加一路可回油箱的旁路，解決（jué）了試驗軸（zhóu）承潤滑係（xì）統（tǒng）加熱器在（zài）管道潤滑（huá）油流量較小時出現的過熱現（xiàn）象。2) 將二次加溫爐的爐心溫度從 600 ℃ 提升到700 ℃ ，解決了空氣係統在管道空氣流量（liàng）較（jiào）小時加熱溫度達（dá）不到試驗所需最高溫度(500 ℃)的現象。調（diào）試完畢（bì）後，試驗機各係統工作正常，先後（hòu）完（wán）成了航空發動（dòng）機主軸軸承的載荷譜循環試驗、載荷換向試驗、環境溫度試驗（yàn）、模擬轉子試驗、斷油試驗、打滑度測試試驗、非接觸式溫度場測試試驗、潤滑特性試驗等試驗項目（mù），滿足了航空發動機主軸軸承應（yīng）用（yòng）技術研究試驗的需求。

3 、結束語

與現有軸承試（shì）驗機相比，所研製的航空發動機主軸軸承性能試（shì）驗機具有以下（xià）先進性:1) 配置有先進的軸承溫度（dù）場測量、打滑度測量、潤滑油在線檢測、故障診斷等專項測試係統（tǒng），大大提高了軸承試驗機（jī）的測試（shì）技術（shù）水平。2) 采用電渦流高頻空氣加熱技術，解決了軸承試（shì）驗（yàn）機（jī）小流量空氣加溫的難題。3) 首次在軸承試（shì）驗機上應用（yòng）靜壓支承油缸（gāng）伺服加載技術，提高了液壓（yā）係統加載精度和響應速度，解決了小載荷狀態（tài）下加載（zǎi）不穩（wěn）定（dìng）的問題。4) 采用安（ān）全防護及油霧處理裝置一體化設計，提高了軸承試驗機的安全 \環境保護水（shuǐ）平。該試驗（yàn）機功能齊全，自動化程（chéng）度高（gāo），控製精確高，安全性高，操作方便、實用（yòng），對類似非標試驗機（jī）的開發工作有一定參考和借鑒（jiàn）意義。

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