航空發(fā)動機主軸軸承性能試驗機
2020-11-27 來源：中國航發(fā)湖南動力研究所 直升機傳動實驗室 作者：王杏 楊兵華 滿維偉
摘要: 現(xiàn)有試驗機不具備環(huán)境溫度、極限載荷、加減速等工況模擬功能，且控制方式落后，測試參數(shù)較少，難以滿足航空發(fā)動機主軸軸承試驗研究要求。因此，研制了一種航空發(fā)動機主軸軸承性能試驗機，詳細介紹了該試驗機各組成系統(tǒng)及功能，試驗機研制完成后進行的多項試驗表明:該試驗機方案合理，工作可靠，功能較為完備，可為同類型試驗機的研制提供一定參考。
關(guān)鍵詞: 滾動軸承;航空發(fā)動機;試驗機;性能;設(shè)計
航空發(fā)動機主軸軸承(簡稱主軸軸承)是發(fā)動機轉(zhuǎn)子組件的重要組成部分，具有轉(zhuǎn)速高、dn 值高、可靠性高等特點，其性能直接影響發(fā)動機的可靠性和壽命，甚至危及飛機和人員的安全［1］。
目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性、多樣性等方面，國內(nèi)主軸軸承均難以滿足發(fā)動機快速發(fā)展的需求。因此，需要開展主軸軸承的試驗研究，通過模擬實際的復(fù)雜工況，獲得主軸軸承在各種工況下的性能參數(shù)，指導(dǎo)其設(shè)計改進并提高可靠性。同時，通過試驗機進行軸承性能試驗可以獲取主軸軸承安全運行的設(shè)計邊界條件數(shù)據(jù)，確定其安全運行范圍，并研究主軸軸承跨邊界條件后可能產(chǎn)生的影響及失效模式和失效特性。針對現(xiàn)有試驗機不具備環(huán)境溫度、極限載荷、加減速等工況模擬功能，且存在控制方式落后、測試參數(shù)較少等問題，研制一種航空發(fā)動機主軸軸承性能試驗機，以滿足主軸軸承的試驗研究要求。
1 、試驗機結(jié)構(gòu)
試驗機用于航空發(fā)動機主軸軸承(角接觸球軸承、圓柱滾子軸承) 各種應(yīng)用特性的試驗，如加速特性試驗、載荷譜循環(huán)試驗、載荷換向試驗、環(huán)境溫度試驗、斷油試驗及潤滑特性試驗等。
試驗機主要由主體，試驗軸承潤滑系統(tǒng)，設(shè)備潤滑系統(tǒng)，加載系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)，測控系統(tǒng)，打滑度測量系統(tǒng)，溫度場測量系統(tǒng)，軸承故障診斷系統(tǒng)，潤滑油在線檢測系統(tǒng)，安全防護裝置，輔助工藝系
統(tǒng)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 試驗機的三維模型
圖 2 試驗機的工作原理
1. 1 主體
如圖 3 所示，試驗機的主體采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由試驗平臺、電動機、增速器、試驗轉(zhuǎn)接段、聯(lián)軸器和安裝座等組成。其中，試驗轉(zhuǎn)接段(圖 4) 主要包括箱體、試驗軸承、加載軸承、軸承座、試驗
軸、軸承腔、加載油缸、供油組件等。除了軸承為外購件，其余部件均為自行設(shè)計［2］。
1—試驗轉(zhuǎn)接段;2—聯(lián)軸器 1;3—增速器;4—聯(lián)軸器 2;5—電動機;6—電動機安裝座;7—平臺;8—增速器安裝座;9—轉(zhuǎn)接段安裝座
圖 3試驗機主體結(jié)構(gòu)示意圖
1—下箱體;2—軸承座;3—試驗軸;4—上箱體;5—油缸
圖 4 試驗轉(zhuǎn)接段結(jié)構(gòu)示意圖
1. 2 試驗軸承潤滑系統(tǒng)
試驗軸承潤滑系統(tǒng)的作用是為試驗軸承提供潤滑，采用電液比例溢流閥遠程控制供油壓力與供油流量。供油溫度的控制方式為:在系統(tǒng)油箱內(nèi)設(shè)置電加溫器將潤滑油加溫至 80 ℃;在供油管路上設(shè)置二次加溫裝置，使噴嘴出口溫度達到試驗要求的溫度;在回油路上設(shè)置冷卻系統(tǒng)，使?jié)櫥瓦M入油箱時溫度不高于 80 ℃。
試驗軸承潤滑系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:供油壓力范圍為 0 ～ 1 MPa;第 1 路供油溫度為室溫 ～80 ℃ ;第 2 路供油溫度為室溫 ～ 150 ℃ ;第 1 路供油流量為 20 L/min;第 2 路供油流量為 30 L/min。
1. 3 設(shè)備潤滑系統(tǒng)
設(shè)備潤滑系統(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)如下:壓力調(diào)節(jié)范圍為 0 ～ 0． 6 MPa;最大供油流量為 60 L/min。
1. 4 加載系統(tǒng)
加載系統(tǒng)由液壓油源、子站、控制器、油缸、伺服閥等部件組成，通過液壓油缸向試驗軸承施加徑向載荷和軸向載荷［3］，油缸壓力由電液伺服閥進行控制［4 － 5］。加載系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下:
系統(tǒng)壓力為 21 MPa;系統(tǒng)流量為 63 L/min;載荷控制精度為 ± 3% F． S;控制器為 4 通道。
液壓油源為加載油缸提供液壓油，油源集成在一臺可移動油車上;為降低噪聲，選用低噪聲電動機和油泵。子站具有分油、穩(wěn)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 通道控制器控制試驗載荷。為提高加載精度和響應(yīng)速度，選用液壓支承油缸，該類型油缸無密封件，因此摩擦力非常小。
1. 5 空氣系統(tǒng)
空氣系統(tǒng)為試驗軸承提供熱氣源，以模擬軸承的環(huán)境溫度。空氣系統(tǒng)主要由控制柜、電加熱器、減壓閥、冷卻消音裝置、質(zhì)量流量計等組成，采用本地與遠程控制，配有水冷式散熱器，對排氣進行冷卻。主要技術(shù)指標(biāo)如下:空氣系統(tǒng)進氣溫度為室溫;供氣流量為 0 ～ 50 g /s;供氣壓力為≤0． 8MPa;供氣溫度為室溫 ～ 500 ℃ ; 控溫精度為 ± 5℃ ;系統(tǒng)( 排至大氣) 出口溫度為 60 ℃ 。
1. 6 測控系統(tǒng)
測控系統(tǒng)具有控制、測試、監(jiān)視和報警保護等功能。
1. 6. 1 控制功能
控制部分由可編程序控制器、變頻器、溫度控制儀、智能晶閘管模塊、電動機保護型斷路器、接觸器和按鈕等元器件組成，具有主拖動功能和輔助拖動功能。主拖動功能控制電動機的啟/停和試驗轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);輔助拖動功能控制潤滑油系統(tǒng)油泵以及液壓系統(tǒng)油泵電動機的啟/停。載荷則由 MTS 控制器進行控制。
控制功能具有自動控制和手動控制 2 種控制方式，兩者之間能快速無擾動地進行切換。手動控制方式主要用于調(diào)試階段，通過手動方式控制試驗機的運行;自動控制時，系統(tǒng)在計算機控制下根據(jù)預(yù)先設(shè)定的試驗程序準(zhǔn)確、可靠地控制各執(zhí)行元器件的動作，以實現(xiàn)試驗轉(zhuǎn)速及試驗載荷的自動控制功能。試驗程序各階段的工作時間、載荷、轉(zhuǎn)速可獨立設(shè)定和調(diào)整。
1. 6. 2 測試功能
測試部分由數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)采集柜、測試計算機、測試軟件、傳感器、儀器儀表等組成，對試驗機各參數(shù)進行實時采集和測試，實現(xiàn)各參數(shù)顯示、記錄，超限報警及保護等功能，并參與試驗機邏輯控制及安全保護控制。試驗機測試參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、載荷、振動、油壓、潤滑油流量、潤滑油溫度、空氣流量、空氣溫度、液位及金屬末等。
1. 6. 3 監(jiān)視功能
試驗機可對試驗現(xiàn)場的旋轉(zhuǎn)部位和關(guān)鍵部位進行監(jiān)視，并對試驗機進行全貌和局部特寫的觀察和圖像記錄，以保證操作人員能夠安全、直觀和及時地掌握試驗件及試驗機運行情況，預(yù)防意外情況的發(fā)生，提高試驗安全性。
配備的大尺寸顯示器可實時顯示主要試驗參數(shù)及其運行曲線，供參試人員觀看了解試驗情況。出現(xiàn)試驗件損壞等故障時，試驗機能進行圖像回放，幫助技術(shù)人員快速準(zhǔn)確地分析故障位置。此外，為便于操縱間與試驗間的實時通信，試驗機配備有語音通話功能。
1. 6. 4 報警保護功能
試驗機具有完善的報警保護功能，當(dāng)試驗運行時出現(xiàn)超載、超速、超壓、超溫、油濾堵塞、振動過大等故障時，能及時報警，提示試驗人員進行適當(dāng)處理。當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速、軸承溫度、潤滑油流量、空
氣溫度、空氣流量等參數(shù)超過設(shè)定的危險值(報警值和危險值可根據(jù)要求設(shè)定)時，能自動卸載和停車保護，同時保存當(dāng)前的試驗參數(shù)。
由于高壓、高速、高溫的試驗特點，對試驗安全性要求比較高，要求試驗前需先啟動潤滑系統(tǒng)各油泵電動機，且測試系統(tǒng)無故障停車信號輸出，才能啟動電動機。因此，將各油泵電動機的啟動信號(常開點)以及測試系統(tǒng)故障停車信號(常閉點)作為電動機的啟動條件之一，實現(xiàn)電動機的連鎖保護控制功能。
1. 7 打滑度測試系統(tǒng)
打滑度測量系統(tǒng)用于測量軸承的打滑度，為研究高速、輕載軸承在一定工況條件下的打滑特性提供數(shù)據(jù)。打滑度測量系統(tǒng)由保持架轉(zhuǎn)速測量傳感器、信號傳輸導(dǎo)線、信號采集器、分析軟件及顯示儀器組成。
1. 8 溫度場測試系統(tǒng)
溫度場測試系統(tǒng)用于試驗過程中軸承溫度場測量(端面溫度)，研究軸承的內(nèi)圈、外圈、保持架、滾動體之間的溫度分布情況，在進行斷油試驗時尤其有用。溫度場測量系統(tǒng)由紅外攝像頭和數(shù)據(jù)處理計算機組成。該系統(tǒng)基于紅外熱成像原理，利用攝像頭拍攝物體的紅外圖像顯示物體所輻射的熱量，通過不同的顏色組成反映物體的表面溫度。
攝像頭通過安裝架安裝在平臺上，透過試驗箱體上的觀察窗對試驗軸承進行拍攝。觀察窗上裝有特制的鍺玻璃蓋，以便于紅外線穿過而不影響溫度測試精度。
1. 9 軸承故障診斷系統(tǒng)
軸承故障診斷系統(tǒng)用于對試驗軸承進行在線監(jiān)測，通過拾取軸承座的振動、分析沖擊脈沖信號以判斷軸承的運行狀態(tài)。對研究軸承的故障模式、故障產(chǎn)生原因、故障發(fā)展情況有很大幫助。
1. 10 潤滑油在線檢測系統(tǒng)
潤滑油在線檢測系統(tǒng)主要對試驗過程中潤滑油回油管路里的金屬顆粒大小和數(shù)量進行監(jiān)測，通過對回油管路中顆粒數(shù)量和大小的增長趨勢進行分析，判斷軸承的運行狀態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)軸承早期故障。系統(tǒng)主要由金屬末傳感器、信號采集器、檢測軟件、計算機等組成。
1. 11 其他方面
1) 試驗機的最高工作轉(zhuǎn)速為 70 000 r / min，經(jīng)綜合對比后選用 LMW13 型高速膜盤聯(lián)軸器，用于連接增速器輸出軸和試驗軸。
2) 選用 TD6 － 66 型疊片聯(lián)軸器用于連接主電動機輸出軸和增速器輸入軸，最高工作轉(zhuǎn)速為3 000 r / min，最大工作扭矩為 300 N·m。
3) 試驗機為高溫、高速試驗機，為防止高速旋轉(zhuǎn)部件飛出傷人，并對試驗時產(chǎn)生的油霧進行凈化，降低環(huán)境污染，試驗機配備有安全防護裝置［6］。該裝置由防護罩、油霧凈化裝置、攝像頭、照明燈組成。油霧凈化裝置安裝在防護罩頂上，有吸氣管通入防護罩內(nèi)，試驗時開啟該裝置，將試驗轉(zhuǎn)接裝置和增速器排出的油霧經(jīng)過濾后排出。攝像頭(含云臺)安裝在防護罩內(nèi)(上部)，在操縱間可通過云臺控制器調(diào)整攝像頭角度和焦距，以監(jiān)視試驗機的運行狀態(tài)。在試驗機主體兩邊安裝導(dǎo)軌，防護罩底部裝輪子，試驗時移動防護罩將試驗機主體罩住，安裝試驗件時可將防護罩移開。
采用電動機構(gòu)移動防護罩。防護罩兩端裝雙開門，移動時將門打開，試驗機運行時將兩端門關(guān)上。
2 、試驗機的調(diào)試及使用
試驗機完成安裝，進行了各系統(tǒng)單項調(diào)試和整機聯(lián)調(diào)，過程中發(fā)現(xiàn)并解決以下問題:1) 在管路加熱器出口增加一路可回油箱的旁路，解決了試驗軸承潤滑系統(tǒng)加熱器在管道潤滑油流量較小時出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。2) 將二次加溫爐的爐心溫度從 600 ℃ 提升到700 ℃ ，解決了空氣系統(tǒng)在管道空氣流量較小時加熱溫度達不到試驗所需最高溫度(500 ℃)的現(xiàn)象。調(diào)試完畢后，試驗機各系統(tǒng)工作正常，先后完成了航空發(fā)動機主軸軸承的載荷譜循環(huán)試驗、載荷換向試驗、環(huán)境溫度試驗、模擬轉(zhuǎn)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，滿足了航空發(fā)動機主軸軸承應(yīng)用技術(shù)研究試驗的需求。
3 、結(jié)束語
與現(xiàn)有軸承試驗機相比，所研制的航空發(fā)動機主軸軸承性能試驗機具有以下先進性:1) 配置有先進的軸承溫度場測量、打滑度測量、潤滑油在線檢測、故障診斷等專項測試系統(tǒng)，大大提高了軸承試驗機的測試技術(shù)水平。2) 采用電渦流高頻空氣加熱技術(shù)，解決了軸承試驗機小流量空氣加溫的難題。3) 首次在軸承試驗機上應(yīng)用靜壓支承油缸伺服加載技術(shù)，提高了液壓系統(tǒng)加載精度和響應(yīng)速度，解決了小載荷狀態(tài)下加載不穩(wěn)定的問題。4) 采用安全防護及油霧處理裝置一體化設(shè)計，提高了軸承試驗機的安全 \環(huán)境保護水平。該試驗機功能齊全，自動化程度高，控制精確高，安全性高，操作方便、實用，對類似非標(biāo)試驗機的開發(fā)工作有一定參考和借鑒意義。
投稿箱：
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
- 2024年12月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)