劉文龍，王 科，王丹丹，楊 宇

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110015；2.空裝駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，沈陽(yáng)110042）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承具有高溫、高速、高載荷等特點(diǎn)，是制約發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命和可靠性的關(guān)鍵部件[1-4]。一般情況下，相比于低壓軸，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸的轉(zhuǎn)速更高、高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力更大，因此高壓軸止推軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)工況更為惡劣，更容易發(fā)生故障[5-7]。高壓軸止推軸承所承受載荷是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制的重要指標(biāo)之一，對(duì)其進(jìn)行深入研究意義重大[8-9]。

在工程研制中，普遍認(rèn)為高壓軸止推軸承的徑向載荷來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量，軸向載荷來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力，并依據(jù)上述載荷計(jì)算結(jié)果開展軸承的性能和壽命分析。王秋陽(yáng)等[10]在分析某發(fā)動(dòng)機(jī)滾珠軸承承載力時(shí)，將轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力作為軸承分析的載荷輸入，同時(shí)指出該載荷計(jì)算結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力測(cè)量試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異；蔡毅等[11]在研究燃機(jī)軸承載荷時(shí)，同樣以轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力作為分析輸入，且進(jìn)一步提出影響轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力的關(guān)鍵因素。但將上述載荷計(jì)算方法用于高壓軸止推軸承載荷分析時(shí)，一方面忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)隨飛機(jī)工作時(shí)機(jī)動(dòng)過(guò)載過(guò)程中產(chǎn)生的慣性載荷；另一方面由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸一般通過(guò)1 對(duì)錐齒輪與附加機(jī)匣連接，錐齒輪嚙合產(chǎn)生的載荷同樣會(huì)作用于高壓軸止推軸承。這2方面因素未被考慮將影響軸承載荷分析的全面性和準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步影響軸承的性能和壽命分析。發(fā)動(dòng)機(jī)隨飛機(jī)工作時(shí)機(jī)動(dòng)過(guò)載過(guò)程中產(chǎn)生的慣性載荷可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用情況，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法獲得，宋迎東等[12]在開展發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜研究時(shí)采用雨流計(jì)數(shù)法得到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)過(guò)載的過(guò)載大小和持續(xù)時(shí)間。錐齒輪嚙合產(chǎn)生的附加載荷可以根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)以及附件機(jī)匣傳遞功率等計(jì)算獲得[13]。

本文提出1 種綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)過(guò)載以及錐齒輪嚙合產(chǎn)生附加載荷的高壓軸止推軸承載荷分析方法，以某發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，介紹了該方法的計(jì)算過(guò)程，并將該方法與常規(guī)方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 載荷計(jì)算輸入

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速

發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)影響主軸轉(zhuǎn)速、氣動(dòng)載荷、提取功率等，與高壓軸止推軸承受力密切相關(guān)，某發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作狀態(tài)見表1。

表1 某發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作狀態(tài)

1.2 高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力

高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力受發(fā)動(dòng)機(jī)腔壓、截面積、發(fā)動(dòng)機(jī)流道壓力等多種因素影響，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。根據(jù)狀態(tài)不同，高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力Fxq計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力Fxq N

1.3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生載荷

轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生載荷一般是在僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重力情況下主軸軸承所承受的外部載荷，一般又稱為支點(diǎn)單位載荷。高壓軸止推軸承支點(diǎn)單位載荷計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 高壓軸止推軸承支點(diǎn)單位載荷N

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)

飛機(jī)飛行狀態(tài)、姿態(tài)等會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同程度的過(guò)載，導(dǎo)致主軸軸承承受一定的附加慣性載荷，而在某些劇烈過(guò)載的情況下，由此產(chǎn)生的附加載荷甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位。本文發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求發(fā)動(dòng)機(jī)最大可承受9g 的徑向過(guò)載（即Nz=9）。結(jié)合該型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，其典型的徑向過(guò)載系數(shù)及時(shí)間比例見表4。

表4 徑向過(guò)載系數(shù)Nz 與時(shí)間比例%

1.5 錐齒輪傳遞功率

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸與附件機(jī)匣通過(guò)1 對(duì)中央傳動(dòng)錐齒輪連接，中央傳動(dòng)錐齒輪傳遞的功率主要與附件機(jī)匣上各附件在發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)下的提取功率有關(guān)。典型狀態(tài)的傳遞功率計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 中央傳動(dòng)錐齒輪傳遞功率kW

2 載荷計(jì)算過(guò)程

2.1 錐齒輪嚙合產(chǎn)生的附加載荷

中央傳動(dòng)錐齒輪裝配關(guān)系如圖1 所示。

圖1 中央傳動(dòng)錐齒輪裝配關(guān)系

已知中央錐齒輪傳遞功率情況下，其主動(dòng)錐齒輪嚙合力[14]為

式中：Ft為齒輪切向力，垂直紙面向外為正；P 為傳遞功率；dm1為中點(diǎn)分度圓直徑；n 為齒輪轉(zhuǎn)速；Fr1為齒輪徑向力，指向輪心為正；Fx1為齒輪軸向力，離開錐頂中心為正；βm為螺旋角；αn為法向壓力角；δ1為分度圓錐角。

中央主動(dòng)錐齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)見表6，計(jì)算得到中央主動(dòng)錐齒輪受力情況見表7。

表6 中央主動(dòng)錐齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

表7 中央主動(dòng)錐齒輪受力

發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸由止推軸承和滾棒軸承支撐，錐齒輪嚙合力由2 個(gè)軸承共同分擔(dān)，在發(fā)動(dòng)機(jī)主坐標(biāo)系中進(jìn)行受力分析，保持錐齒輪受力方向不變，如圖2 所示。

圖2 高壓軸受力

根據(jù)高壓軸受力平衡分析可知

式中：Fx3、Fy3、Fz3分別為止推軸承對(duì)高壓軸施加的軸向、切向、徑向附加載荷。

根據(jù)力的作用關(guān)系，軸承所受附加載荷（Nx3、Ny3、Nz3）與上述載荷大小相等，方向相反。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，L1=86.64 mm，L34=1019 mm。由此可得中央錐齒輪嚙合力產(chǎn)生的附加載荷，見表8。

2.2 過(guò)載情況下的徑向載荷

根據(jù)表3 中單位載荷情況，止推軸承單位徑向載荷R3z=1100 N，并根據(jù)表4 列出的其徑向過(guò)載情況，可知典型過(guò)載下的徑向載荷見表9。

研究發(fā)現(xiàn)水分子相態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)淀粉凝膠物理化學(xué)性質(zhì)有重要影響。通過(guò)控制水分子相態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)和速率可有效控制淀粉凝膠的結(jié)晶性、回生性質(zhì)等性質(zhì)，進(jìn)而掌握淀粉基制品物化性質(zhì)變化特點(diǎn)及規(guī)律[2]。

表8 齒輪嚙合產(chǎn)生的止推軸承附加載荷 N

表9 典型過(guò)載情況下徑向載荷Rz N

3 載荷計(jì)算結(jié)果

3.1 徑向載荷

徑向載荷包括中央錐齒輪嚙合力作用在止推軸承上的附加載荷（含徑向分量Nz3和切向分量Ny3）以及機(jī)動(dòng)飛行時(shí)過(guò)載導(dǎo)致的慣性載荷Rz，其具體受力情況如圖3 所示。

止推軸承所受的徑向載荷Fz為

圖3 止推軸承受力

根據(jù)表8 中錐齒輪附加載荷Ny3、Nz3，表9 中徑向過(guò)載載荷Rz，同時(shí)參考發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用，考慮徑向過(guò)載與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)之間的配比，計(jì)算各狀態(tài)下的徑向載荷Fz，見表10。

表10 各狀態(tài)下止推軸承徑向載荷

3.2 軸向載荷

止推軸承軸向載荷Fx主要來(lái)源于氣動(dòng)軸向力Fxq、中央錐齒輪附加載荷Nx3和軸向過(guò)載產(chǎn)生的慣性載荷Rx

根據(jù)實(shí)際使用情況，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際軸向過(guò)載最高為1.24g（Nx=1.24），止推軸承的軸向過(guò)載載荷Rx=NxR3x=-3260 N。

根據(jù)表2 中氣動(dòng)軸向力Fxq，表8 中中央錐齒輪附加載荷Nx3，則軸承軸向載荷Fx計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 各狀態(tài)下止推軸承軸向載荷 N

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)本文提出的高壓軸止推軸承載荷計(jì)算方法，得到典型狀態(tài)下的徑向載荷與軸向載荷。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的不同，將徑向載荷與軸向載荷統(tǒng)籌匹配，得到該發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸止推軸承載荷譜，見表12。

表12 某發(fā)動(dòng)機(jī)止推軸承載荷譜

按傳統(tǒng)載荷分析方法（即僅考慮氣動(dòng)軸向力及轉(zhuǎn)子質(zhì)量產(chǎn)生的徑向載荷）計(jì)算其載荷譜，見表13。由于傳統(tǒng)分析方法忽略了機(jī)動(dòng)過(guò)載情況，導(dǎo)致其計(jì)算得出的載荷狀態(tài)較少。

表13 傳統(tǒng)分析方法的載荷譜

按此載荷譜，采用相同的軸承計(jì)算分析方法，計(jì)算該止推軸承的L1循環(huán)壽命約為1245 h，最大接觸應(yīng)力為1966 MPa。從表中可見，根據(jù)新方法得到的載荷譜更加細(xì)化，組合狀態(tài)由5 種提高到10 種，止推軸承的計(jì)算壽命降低約46%，最大接觸應(yīng)力提高約10%，新載荷譜對(duì)軸承的考核將更加精細(xì)、嚴(yán)格。

此外，新的計(jì)算方法暴露出高壓軸止推軸承的一些工況問(wèn)題。例如在該發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)下，常規(guī)計(jì)算方法得到軸向載荷與徑向載荷的數(shù)值比例接近3，該比例對(duì)于止推軸承（雙半內(nèi)圈角接觸球軸承）是可以接受的；但采用新載荷計(jì)算方法得到在慢車狀態(tài)下軸向載荷與徑向載荷的比例小于1，屬于軸向輕載，極易引起軸打滑。根據(jù)同型發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)下的最新軸向力測(cè)試結(jié)果（1000～1500 N），采用新的載荷計(jì)算方法所得結(jié)果更加接近實(shí)際測(cè)量值，而對(duì)試車后軸承的分解檢查發(fā)現(xiàn)，在該軸承實(shí)際使用中也經(jīng)常出現(xiàn)打滑蹭傷情況[16-17]，符合計(jì)算分析結(jié)果，一定程度證明了本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

（1）本文提出了1 種新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓軸止推軸承載荷計(jì)算方法，綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、高壓轉(zhuǎn)子氣動(dòng)軸向力、機(jī)動(dòng)過(guò)載以及錐齒輪附加載荷，計(jì)算輸入更加全面；

（2）以某發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用新方法計(jì)算得到了軸承載荷譜，與常規(guī)方法相比，新的載荷譜組合更多，載荷要求更嚴(yán)格，會(huì)進(jìn)一步影響軸承的性能和壽命分析；

（3）與常規(guī)計(jì)算方法不同，新方法計(jì)算結(jié)果顯示軸承在慢車狀態(tài)下軸向輕載容易打滑，這與軸向力測(cè)量結(jié)果更加接近，也與軸承的實(shí)際應(yīng)用情況相符，證明了本文所述計(jì)算方法的有效性。