覃經(jīng)文,2 曾廣樂 郭 暉 周 琳 馬壬聯(lián)

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南株洲 412002;2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的常用潤(rùn)滑方式有噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑和噴管潤(rùn)滑[1]，其中噴管潤(rùn)滑主要用于軸間軸承潤(rùn)滑。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主軸軸承DN值(軸承內(nèi)徑與轉(zhuǎn)速的乘積)不斷提高[2]，在采用傳統(tǒng)的噴射潤(rùn)滑方式下，潤(rùn)滑油在離心力的作用下，難以進(jìn)入軸承內(nèi)部，使?jié)櫥屠鋮s效果不佳[3]。為適應(yīng)高DN值軸承潤(rùn)滑冷卻的需要，現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承常采用環(huán)下潤(rùn)滑方式。該方式從軸承內(nèi)圈下部向軸承供油，能極大地改善軸承的潤(rùn)滑和冷卻效果，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命[4]。

對(duì)于環(huán)下潤(rùn)滑方式，噴嘴噴射的潤(rùn)滑油，需要經(jīng)過收油結(jié)構(gòu)進(jìn)行收集，然后供往軸承內(nèi)圈。根據(jù)收油方式的不同，可分軸向收油和徑向收油2種結(jié)構(gòu)形式。軸向收油是指噴嘴噴射的潤(rùn)滑油，通過軸向設(shè)置的擋油壩收集，如圖1所示。徑向收油常指潤(rùn)滑油經(jīng)過噴嘴后，沿與主軸垂直的平面噴出，再通過徑向集油環(huán)收集[5-6]，如圖2所示。采用軸向收油方式的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，采用徑向收油方式的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為徑向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。

受環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)和空間的限制，噴嘴噴射的潤(rùn)滑油不可能完全供往軸承內(nèi)圈，總有一部分飛濺、反射和流失[1]。在環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)中，將供往軸承內(nèi)圈的油量與噴嘴供油量的百分比，稱為供油效率。一般而言，軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率大于90%，甚至接近100%；而徑向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率則與徑向集油環(huán)的結(jié)構(gòu)、噴嘴孔徑和布置、供油壓力以及供油溫度等密切相關(guān),從相關(guān)文獻(xiàn)資料來(lái)看，供油效率一般在50%～70%[7-10]?？偟膩?lái)講，軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率通常高于徑向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，且其收油結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。

圖1 軸向收油結(jié)構(gòu)

圖2 徑向收油結(jié)構(gòu)

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承采用了軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，系國(guó)內(nèi)研制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上首次采用該結(jié)構(gòu)，具有高轉(zhuǎn)速、高DN值、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。為驗(yàn)證其軸向收油以及輸油結(jié)構(gòu)的有效性，需要針對(duì)軸承的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，開展供油效率試驗(yàn)研究。本文作者針對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)滾子軸承(以下簡(jiǎn)稱某滾子軸承)的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速、供油壓力、噴嘴與鎖緊螺母軸向距離等對(duì)供油效率的影響，驗(yàn)證其軸向收油以及輸油結(jié)構(gòu)的有效性。

1 環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)件

某滾子軸承環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)子部分如圖3所示，主要由內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸、鎖緊墊圈、軸承內(nèi)圈以及帶擋油壩的鎖緊螺母等組成。內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸為軸承內(nèi)圈等提供安裝位置，同時(shí)與試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段驅(qū)動(dòng)軸連接，為試驗(yàn)件提供轉(zhuǎn)速；鎖緊螺母與鎖緊墊圈組成的結(jié)構(gòu)，將軸承內(nèi)圈壓緊，同時(shí)起到防松的作用。試驗(yàn)件的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)以及輸油流道尺寸參考發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸向收油由帶擋油壩的鎖緊螺母實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸以及軸承內(nèi)圈設(shè)置有輸油通道。

圖3 環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)件

如圖3所示，鎖緊螺母右側(cè)收油鉤子處直徑小于流道外徑，形成擋油壩結(jié)構(gòu)；噴嘴噴射的潤(rùn)滑油流柱，通過內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸與鎖緊螺母之間的環(huán)形縫隙進(jìn)入擋油壩。試驗(yàn)件高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，擋油壩內(nèi)的潤(rùn)滑油受慣性離心力作用，由于擋油壩內(nèi)徑小于整個(gè)輸油通道的外徑，擋油壩處的離心勢(shì)能低，輸油通道處的離心勢(shì)能高，潤(rùn)滑油優(yōu)先從離心勢(shì)能高的輸油通道結(jié)構(gòu)處流出。輸油通道內(nèi)的潤(rùn)滑油繼續(xù)在離心力的作用下進(jìn)入軸承內(nèi)圈，依次經(jīng)過滾子軸承內(nèi)圈上的軸向槽和徑向孔后從滾道表面甩出，從而實(shí)現(xiàn)由軸承內(nèi)圈下部向軸承供油[11]。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

某滾子軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率試驗(yàn)原理如圖4所示，試驗(yàn)器為試驗(yàn)件提供規(guī)定壓力pw、溫度tw和流量Q供的潤(rùn)滑油，并提供可調(diào)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。通過在試驗(yàn)件潤(rùn)滑油進(jìn)口處安裝齒輪流量計(jì)，測(cè)量供油流量Q供，并測(cè)量進(jìn)入軸承滾道內(nèi)的潤(rùn)滑油，從而得到環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率。

圖4 試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)件的安裝、驅(qū)動(dòng)、潤(rùn)滑油流路以及測(cè)量示意如圖5所示。環(huán)下潤(rùn)滑試驗(yàn)件通過螺釘安裝到轉(zhuǎn)接段驅(qū)動(dòng)軸上，試驗(yàn)器動(dòng)力源與轉(zhuǎn)接段驅(qū)動(dòng)軸通過膜盤聯(lián)軸器連接，為試驗(yàn)件提供轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)件的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)上該滾子軸承的旋轉(zhuǎn)方向保持一致。試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段上設(shè)置有隔油板，將從軸承內(nèi)圈甩出的潤(rùn)滑油與未收集的潤(rùn)滑油分離開，隔油板與軸承內(nèi)圈間采用間隙配合防止碰磨。

圖5 潤(rùn)滑油流路及測(cè)量示意圖

文中試驗(yàn)測(cè)量的是未進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油流量Q1，再根據(jù)齒輪流量計(jì)測(cè)得供油流量Q供，得到進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油流量(Q供-Q1)，并根據(jù)公式(1)計(jì)算出整個(gè)環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率η。

(1)

2.2 潤(rùn)滑油的收集與測(cè)量

在供油效率試驗(yàn)中，考慮到試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速高、需要計(jì)量的潤(rùn)滑油溫度高，采用人工接油的方式存在安全隱患，因此研制了一套潤(rùn)滑油自動(dòng)收集與測(cè)量裝置。該裝置主要由電磁閥、儲(chǔ)油筒、高精度稱量模塊、潤(rùn)滑油箱、電氣以及控制系統(tǒng)等組成，如圖6所示。儲(chǔ)油筒頂部和底部分別設(shè)置有電磁閥，控制潤(rùn)滑油的進(jìn)入與排放；高精度稱量模塊設(shè)置在儲(chǔ)油筒底部，通過上、下位機(jī)通訊能實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)油筒內(nèi)潤(rùn)滑油的質(zhì)量，從而得到單位時(shí)間內(nèi)入口處潤(rùn)滑油的質(zhì)量流量。經(jīng)校準(zhǔn)，該裝置的質(zhì)量檢測(cè)精度為±2 g。

使用該裝置對(duì)未進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油流量Q1進(jìn)行收集與測(cè)量，既解決了安全隱患，又具有較高的試驗(yàn)精度，能夠滿足供油效率試驗(yàn)的要求。

圖6 潤(rùn)滑油自動(dòng)收集與測(cè)量裝置

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和研制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率與轉(zhuǎn)速、滑油供油參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)以及布置情況等密切相關(guān)[8-10]。其中，滑油供油參數(shù)包括供油壓力、供油溫度和供油流量，噴嘴結(jié)構(gòu)包括噴嘴孔徑、長(zhǎng)徑比等，噴嘴的布置情況包括噴嘴數(shù)目、噴射角度、軸向和徑向位置等。

由于轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油供油參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)相關(guān)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作條件下，潤(rùn)滑油供油溫度范圍一般為80～130 ℃，對(duì)于常用的潤(rùn)滑油而言，在上述供油溫度范圍內(nèi)噴嘴的供油流量隨溫度的變化較小。對(duì)于給定的噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸，噴嘴的供油流量與供油壓力正相關(guān)。受發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔結(jié)構(gòu)的影響，環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)對(duì)于噴嘴的軸向位置比較敏感，噴嘴相對(duì)于擋油壩的軸向位置直接影響噴嘴噴射的潤(rùn)滑油進(jìn)入擋油壩結(jié)構(gòu)?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)下尺寸鏈的公差累積影響，以及熱態(tài)下轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)的影響，噴嘴相對(duì)于擋油壩的軸向位置與理論設(shè)計(jì)值的差異較大。

綜上，基于給定的噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴布置，文中試驗(yàn)主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下的轉(zhuǎn)速、供油壓力對(duì)供油效率的影響，以及噴嘴軸向位置對(duì)供油效率的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 轉(zhuǎn)速、供油壓力對(duì)效率的影響

為獲得某滾子軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下的供油效率，在不同的工作轉(zhuǎn)速、供油壓力、供油流量條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速采用發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子典型工況下的轉(zhuǎn)速，保持供油溫度tw為(90±5)℃不變，調(diào)節(jié)噴嘴的供油壓力pw分別為(0.14±0.02)、(0.3±0.02)、(0.5±0.02) MPa，獲得供油壓力下的試驗(yàn)件供油流量Q供。通過試驗(yàn)測(cè)量得到未進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油流量Q1，并根據(jù)公式(1)計(jì)算相應(yīng)的供油效率。為保證試驗(yàn)精度，要在每個(gè)狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行2 min后測(cè)量潤(rùn)滑油流量。

試驗(yàn)中，觀察圖7測(cè)量油路中儲(chǔ)油筒上方的電磁閥出口潤(rùn)滑油流動(dòng)狀況，在轉(zhuǎn)速?gòu)?逐步上升到典型工況轉(zhuǎn)速的45%的過程中，進(jìn)入儲(chǔ)油筒內(nèi)的潤(rùn)滑油逐漸減少，說明隨著轉(zhuǎn)速的上升，離心力增大，從軸承內(nèi)圈甩出的潤(rùn)滑油增多，未進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油減少，供油效率逐步上升。

圖7 試驗(yàn)裝置

不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下的供油效率試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，試驗(yàn)件在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力下的供油效率均大于95%，最高供油效率接近99%。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于典型工況轉(zhuǎn)速的45%時(shí)，供油效率隨轉(zhuǎn)速的變化較小。

圖8 不同轉(zhuǎn)速及供油壓力下試驗(yàn)件的供油效率

供油壓力0.5 MPa時(shí)，各轉(zhuǎn)速下的供油效率低于供油壓力0.14、0.3 MPa時(shí)的供油效率，供油效率差值為3%左右。這是因?yàn)?，隨著供油壓力的升高，潤(rùn)滑油流速增加，潤(rùn)滑油流柱的發(fā)散也越嚴(yán)重，進(jìn)入擋油壩內(nèi)的潤(rùn)滑油減少，因而供油效率下降。

3.2 噴嘴軸向位置對(duì)效率的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)條件下，受零件公差累積影響，噴嘴與帶擋油壩的鎖緊螺母間的軸向距離，與設(shè)計(jì)狀態(tài)的理論值存在偏差。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在熱態(tài)工作狀態(tài)下，受熱態(tài)變形的影響，噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離也會(huì)隨之發(fā)生變化。綜合考慮冷態(tài)和熱態(tài)工作狀態(tài)，某滾子軸承噴嘴與鎖緊螺母之間的軸向距離與理論值可能會(huì)存在2 mm的上偏差。

為驗(yàn)證軸向距離對(duì)某滾子軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)供油效率的影響，通過增加供油盤與供油管之間的調(diào)整墊(如圖5所示)，改變噴嘴與鎖緊螺母間的軸向距離，從而實(shí)現(xiàn)入射點(diǎn)位置的調(diào)整。

如表1所示，試驗(yàn)件狀態(tài)一表示設(shè)計(jì)狀態(tài)的理論位置，入射點(diǎn)位于擋油壩內(nèi)側(cè)；狀態(tài)二在狀態(tài)一基礎(chǔ)上，軸向距離增加了2 mm，入射點(diǎn)位于擋油壩處；狀態(tài)三在狀態(tài)一基礎(chǔ)上，軸向距離增加了3.5 mm，入射點(diǎn)位于擋油壩外側(cè)。3種狀態(tài)的試驗(yàn)件，在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力下的供油效率試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9—11所示。

表1 試驗(yàn)件狀態(tài)

圖9 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗(yàn)件狀態(tài)的效率(0.14 MPa)

圖10 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗(yàn)件狀態(tài)的效率(0.3 MPa)

圖11 不同轉(zhuǎn)速下3種試驗(yàn)件狀態(tài)的效率(0.5 MPa)

從圖9—11可以看出，3種狀態(tài)的試驗(yàn)件在發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作轉(zhuǎn)速、供油壓力下，供油效率都在90%以上，且供油效率隨供油壓力的升高而降低，隨轉(zhuǎn)速的變化則較小。試驗(yàn)件狀態(tài)一的供油效率最高，試驗(yàn)件狀態(tài)二次之，試驗(yàn)件狀態(tài)三的供油效率明顯低于狀態(tài)一和狀態(tài)二。潤(rùn)滑油流柱與內(nèi)襯套轉(zhuǎn)接軸碰撞的入射點(diǎn)位置由擋油壩內(nèi)側(cè)向外側(cè)移動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)件的供油效率呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，這主要是由于入射點(diǎn)位于擋油壩外側(cè)，一部分潤(rùn)滑油在與轉(zhuǎn)接軸碰撞后在離心力作用下飛濺甩出，并未進(jìn)入擋油壩內(nèi)側(cè)，從而導(dǎo)致整個(gè)環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率下降。

4 結(jié)論

通過在不同轉(zhuǎn)速、供油壓力、噴嘴軸向位置狀態(tài)下，對(duì)某型機(jī)主軸軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)開展供油效率試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率隨供油壓力的增加而降低；

(2)在進(jìn)行軸向環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的入射點(diǎn)位置位于擋油壩內(nèi)側(cè)；

(3)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速、供油壓力下，研究的某滾子軸承環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的供油效率均大于90%，最高供油效率大于95%，滿足設(shè)計(jì)要求。