航空发动机主轴承失效研究

航空发动机主轴承失效研究

刘俊侠,陈文鑫,郑铁良

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨，150066

摘要：本文从剖析轴承打滑机理出发，列举实例给出防止高速轴承打滑的措施；并结合该系列航空发动机主轴承结构特点和装配工艺方法，给出该系列航空发动机主轴承打滑故障可行的控制措施。

关键词：航空发动机 主轴承 打滑 高速轴承 控制措施

1背景

航空发动机的主轴承时常运行在高速大幅度变载荷工况下，是滚动轴承在极端苛刻及特殊工况下应用的典型代表。高速滚动轴承运行过程中发生的打滑现象会引起轴承内外环滚道和滚动体表面的磨损和早期失效，这会对滚动轴承的正常工作产生极大的影响，从而严重威胁航空发动机的安全运行。

涡桨发动机采用典型的1-2-0三支点支承方案，发动机主轴承分为压气机前轴承、压气机后轴承、涡轮轴承三种。该系列发动机主轴承的失效部位基本集中在涡轮轴承上，失效的形式以打滑为主。因此明确航空发动机主轴承的打滑机理，并加以控制，降低打滑故障的发生率，对航空发动机的正常使用有着重要意义。

2 轴承打滑分析

2.1 轴承内的拖动力与阻力

轴承的内部存在一个滚动体与保持架组件，它是轴承在承受载荷情况下能够稳定安全运行的关键。内环旋转和外环静止的轴承在承受合理的最小载荷的情况下，滚动体与保持架组件会沿着轴承顺时针从非承载区移动至承载区，在经过加速变换区间，滚动体与保持架组件刚好满足预先设计的力学要求，之后滚动体与保持架组件会由速度平稳区进入减速区，完成一次运行。

滚动体与保持架组件在轴承正常工作状态下主要受到驱动其自身运动的拖动力和阻碍其自身运动的阻力。拖动力的来源主要有两方面，一方面是轴承在承受载荷情况下，滚动体在内外环间受到的摩擦力；另一方面是当保持架定位于内环时，保持架与内环之间的滑油油膜粘性力产生的拖动力。阻力的来源主要有三方面，一方面是滚动体与保持架组件的惯性力；另一方面是滑油在轴承内的扰动带来的阻力；还有一方面是保持架定位于外环时，保持架与外环之间的滑油油膜粘。

2.2 打滑机理

高速滚动轴承运行过程中，在轻载或者过量的润滑条件下，由于拖动力不足或阻碍滚动体与保持架组件运动的阻力大，会使得滚动体与内外环各接触点之间产生的线速度差异，此时，在两接触体之间不再是纯滚动而是出现滑动现象，该现象即为打滑。

对于打滑的运动学分析，被广泛采用的是Jones提出的套圈控制理论，滚动体纯滚动无自旋的假设也来源于此。滚动体在承载区与非承载区之间循环运行，当滚动体在非承载区运行时，轴承稳定运行的工作转速一般能够使滚动体受到离心力作用从而满足其保持纯滚动的要求，因而不容易发生打滑。但是，在高速运行的情况下，当滚动体刚进入承载区时，由于载荷相对较轻、保持架阻力较大等原因，可能造成滚动体纯滚动的运动条件破坏，从而发生打滑。

按较低的工作转速计算，涡轮轴承内径与转速的乘积即Dn值为1.36×106 mm·r/min，属于高速轴承；涡轮转子的质量为71.19 kg（静载荷），转子不平衡量引起的离心载荷约为25.5 kgf，两者总和最大为96.69 kgf，作用在涡轮轴承上的载荷较轻，加上飞机做机动飞行时会在某些情况下，使作用在涡轮轴承的载荷更小，甚至出现零载。因此，在实际工作中可能会出现打滑故障。

2.3 打滑危害

高速运行的轴承发生打滑时，滚动体与内外环之间的剪应力急剧增大，从而造成两接触面之间的润滑膜遭到破坏，使滚动体与滚道直接接触，进而产生擦伤蹭伤、表面剥落等，严重情况下由于热量积聚引起高温灼伤，使得内环膨胀，减小了轴承内部的游隙，将轴承卡死。

3 轴承打滑控制措施

研究及实践表明，对于航空发动机主轴承可以采用增加拖动力的措施防止轴承打滑，或者采用减少阻碍滚动体与保持架组件运动阻力的措施防止轴承打滑，又或者两者同时采用。

3.1 增加拖动力的措施

1）将保持架定位于内环，保持架与内环之间的滑油油膜粘性力会产生额外的拖动力。罗尔斯·罗伊斯公司研制的RB211-22B发动机于1972年4月投入航线使用，但仅到同年10月发现中介轴承出现过四次打滑故障，为消除轴承打滑又不对支承结构作较大的改动，罗尔斯·罗伊斯公司将轴承内原定于外环的保持架改为定位于内环，同时提高了保持架的平衡度。

2）减少轴承径向游隙，增加滚动体与内外环之间的摩擦力。采用选用小径向游隙轴承或者控制装配后径向游隙的方法减少轴承径向游隙，但减小径向游隙会带来其他严重的问题，尤其对于热端部件轴承而言还需慎重考虑热膨胀后径向游隙的变化量，避免造成轴承卡死。涡桨六发动机的压气机前轴承在长期试车过程中出现严重的打滑蹭伤后，将该轴承的游隙由0.070mm～0.095mm减小至0.045mm～0.065mm，消除了打滑蹭伤现象。

3）装配时，对轴承施加预载荷。对轴承施加附加的径向载荷或轴向载荷，增大承载区范围，使滚动体与内外环之间始终存在负荷，不出现轻载或零载情况。军用斯贝发动机采用在中介轴承前增加轴向弹簧的方式对轴承施加附加的轴向载荷，用以防止中介轴承打滑；普惠公司研制的JT3D、JT9D、JT15D等发动机均选用了非圆滚子轴承，轴承的椭圆度在0.2mm～0.25mm左右，轴承安装座仍是圆形，除最下部的滚子承受重力负荷外，水平两侧位置的滚子也会承受一定的附加负荷。图3-1所示为普通滚子轴承和非圆滚子轴承内的载荷分布对比情况。

4）将轴承喷油环滑油的喷射方向设计为滚动体与保持架组件运动方向，会对滚动体与保持架组件产生额外的拖动力。

5）在滚子轴承中等间隔的安装空心滚子，空心滚子的直径稍大于实心滚子的直径且差值大于轴承的径向游隙。零载状态下空心滚子与内外环保持接触，产生一定的拖动力。一种上世纪70年代研制的带有三个空心滚子的柔性轴承，至今仍未有航空发动机使用该种结构轴承。

3.2 减少阻碍滚动体与保持架组件运动阻力的措施

1）减少滑油的粘性阻力，合理设计轴承内滑油的流动路径，降低滑油在轴承内的扰动阻力。

2）用轻质材料制作保持架或使用空心滚子，减少滚动体与保持架组件的惯性力。

4 轴承打滑监测手段

现代航空发动机设计研制阶段，通常采用打滑度（公式4-1）表明滚动轴承打滑的程度。

公式4-1 轴承打滑度计算公式

当保持架实际转速等于保持架理论转速时，轴承不打滑，打滑度为零；保持架实际转速低于理论转速时，轴承打滑，当保持架实际转速为零时，打滑度为100%。

一般用测定保持架实际转速后计算的方法求得轴承的打滑度。罗尔斯·罗伊斯公司在研制RB211发动机时，使用放射性同位素来探测轴承的打滑。在保持架上固定了一个很小的钴丝作为放射源，利用反平方律的原理测出保持架的速度，计算得出轴承的打滑度从而监测轴承是否出现打滑。

5 结论

高速轻载轴承出现打滑的原因是滚动体与保持架组件拖动力不足或阻力大，可以采用增加拖动力、减小阻力的措施防止轴承打滑。

轴承的打滑程度可以采用打滑度进行表征，用测定保持架实际转速的方法可以求得轴承的打滑度。