公平，陳雪騎，于慶杰，王雙

(1.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，哈爾濱 150025；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京 100191)

隨著航空發(fā)動機(jī)大推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率和低成本的發(fā)展，作為航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的主軸軸承的工作條件也變得越來越苛刻[1-2]。主軸軸承在高速、高溫和受力復(fù)雜的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量和性能直接影響發(fā)動機(jī)的性能、壽命和可靠性。目前航空發(fā)動機(jī)主軸軸承主要采用環(huán)下供油孔輸油的潤滑方式，與傳統(tǒng)噴油潤滑方式相比更能實(shí)現(xiàn)高效潤滑，提高軸承的潤滑效率[3]。因此，有必要對航空發(fā)動機(jī)主軸軸承環(huán)下供油流道中潤滑油的流動特性進(jìn)行分析。

中介軸承是一類特殊的內(nèi)外圈同轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的航空發(fā)動機(jī)主軸軸承，目前關(guān)于中介軸承環(huán)下潤滑的研究較少：文獻(xiàn)[4]研究了中介軸承潤滑系統(tǒng)中導(dǎo)流板孔數(shù)、回油槽數(shù)、回油孔數(shù)對潤滑狀態(tài)的影響，結(jié)果表明導(dǎo)流板孔數(shù)的增加使導(dǎo)流板孔、回油槽及回油孔處的潤滑油流量增大，而回油槽數(shù)、回油孔數(shù)和直徑的增加只增加各自所在處的潤滑油流量；文獻(xiàn)[5]提出了葉扇/環(huán)下油孔組合新結(jié)構(gòu)能提高軸承潤滑性能；文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)安裝外圈進(jìn)油擋板有利于增加軸承腔的供油量和腔內(nèi)潤滑油的儲存量；文獻(xiàn)[7]提出環(huán)下供油孔流通狀態(tài)時序分析方法，結(jié)果表明所提出的潤滑油流動分析法更符合工程實(shí)際應(yīng)用。但上述研究未從中介軸承設(shè)計角度詳細(xì)分析潤滑油在軸承引導(dǎo)間隙處的流動特性以及引導(dǎo)間隙對軸承潤滑的影響。

本文以某航空發(fā)動機(jī)4#中介軸承為研究對象，采用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)有限元技術(shù)分析潤滑油在軸承內(nèi)部各間隙的流動特性以及工作狀態(tài)下流體域內(nèi)潤滑油的壓力分布。

1 中介軸承潤滑結(jié)構(gòu)

目前航空發(fā)動機(jī)中介軸承常見的一種潤滑結(jié)構(gòu)是軸承輸油孔位于滾子下方，潤滑油從輸油孔噴出后先潤滑滾子下表面，然后通過擋邊間隙、兜孔間隙潤滑滾子端面及外表面，如圖1所示。

圖1 輸油孔位于擋邊上的潤滑結(jié)構(gòu)Fig.1 Lubrication structure with oil delivery hole on rib

2 流體域模型的建立

2.1 模型簡化

中介軸承固體域模型的局部示意圖如圖2所示，固體域的空腔內(nèi)形成了流體域。

圖2 中介軸承固體域模型的局部示意圖Fig.2 Local diagram of solid domain model of intermediate bearing

中介軸承內(nèi)的主要潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(如兜孔間隙、引導(dǎo)間隙、輸油孔直徑等)直接影響中介軸承流體域內(nèi)潤滑油的流場分布及油膜的形成質(zhì)量，因此，在模型簡化時需保留上述關(guān)鍵間隙，并且在局部加密流體網(wǎng)格，以保證計算結(jié)果符合實(shí)際工況。

在上述原則基礎(chǔ)上，為在有限元網(wǎng)格劃分時減少單元數(shù)量和優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，可以對流體域模型進(jìn)行簡化。

2.1.1 非關(guān)鍵壁面簡化

工作狀態(tài)下潤滑油潤滑中介軸承時并非充滿整個流體域，在離心力的作用下流體域內(nèi)會出現(xiàn)空腔，這些空腔下方壁面的形狀不會影響潤滑油流場的分布，可適當(dāng)簡化該區(qū)域的壁面形狀，簡化前后中介軸承截面如圖3所示。

圖3 模型簡化前后中介軸承截面示意圖Fig.3 Cross section diagram of intermediate bearing before and after model simplification

2.1.2 倒角結(jié)構(gòu)簡化

保持架內(nèi)外徑倒角及內(nèi)外圈安裝倒角尺寸較小，在有限元仿真過程中對計算結(jié)果影響較小，在簡化過程中可去掉，中介軸承流體域簡化模型如圖4所示。

圖4 中介軸承流體域簡化模型示意圖Fig.4 Diagram of simplified fluid domain model for intermediate bearing

2.2 流體域有限元網(wǎng)格劃分

中介軸承流體域有限元網(wǎng)格劃分示意圖如圖5所示，共包括413 116個2D單元，7 190 874個3D單元和2 111 634個節(jié)點(diǎn)，其中3D單元以四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主，只在壁面處使用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以提高對流體壁面邊界層流動計算的精度。

圖5 中介軸承流體域有限元網(wǎng)格劃分(整體結(jié)構(gòu))Fig.5 Finite element meshing for fluid domain of intermediate bearing (integral structure)

2.3 計算邊界條件

假設(shè)軸承套圈同向旋轉(zhuǎn)，外圈絕對轉(zhuǎn)速ne=14 000 r/min，內(nèi)圈絕對轉(zhuǎn)速ni=3 000 r/min，保持架絕對轉(zhuǎn)速nc=9 076 r/min，不考慮滾子自轉(zhuǎn)，即滾子與保持架之間保持相對靜止，僅作公轉(zhuǎn)運(yùn)動。

其中，進(jìn)口邊界條件為流體靜壓與大氣壓相同，即潤滑油僅在離心力作用下潤滑軸承，進(jìn)口處沒有供油壓力和流量限制，潤滑油從內(nèi)圈無安裝結(jié)構(gòu)一側(cè)流出。仿真計算為穩(wěn)態(tài)計算，僅考慮某一時刻軸承內(nèi)潤滑油的流場分布。實(shí)際工作環(huán)境下潤滑油不會充滿整個流體域，中介軸承內(nèi)同時有潤滑油和空氣兩相流體，需要采取多相流體模型計算分析。

采用合成潤滑油冷卻、潤滑中介軸承，流體域內(nèi)剩余部分為空氣，為簡化分析，現(xiàn)假設(shè)流體域內(nèi)部流體溫度保持均勻一致，均為190 ℃，可查得該溫度下潤滑油、空氣的物理性質(zhì)見表1[8]。

表1 兩相流各組分物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of each component of two-phase flow

3 軸承內(nèi)潤滑油流場及分布

有限元仿真結(jié)果表明在離心力的作用下，潤滑油經(jīng)輸油孔噴到滾子下表面后分成3條流路分別潤滑軸承的不同零件，最終在軸承外圈內(nèi)表面匯集并排出軸承。軸承內(nèi)潤滑油流動方向如圖6所示：流路A的潤滑油流經(jīng)兜孔周向間隙，潤滑滾子圓柱面和保持架過梁；流路B的潤滑油流經(jīng)兜孔軸向間隙，潤滑滾子端面和保持架側(cè)梁；流路C的潤滑油首先流經(jīng)保持架與內(nèi)圈引導(dǎo)間隙，形成油膜托起保持架，然后在離心力的作用下沿著保持架側(cè)梁外側(cè)被甩離保持架。潤滑油實(shí)際流動情況如圖7所示。

圖6 軸承內(nèi)潤滑油流動方向示意圖Fig.6 Flow direction diagram of lubricating oil in bearing

圖7 潤滑油流動仿真結(jié)果Fig.7 Lubricating oil flow simulation results

由圖7可知各條流路以及外圈內(nèi)表面潤滑油匯集區(qū)的分布情況，其中，由于潤滑油噴出后先擊中滾子下表面，所以圖7中可以看到滾子下表面潤滑油分布較多，潤滑較好，而引導(dǎo)間隙進(jìn)油量較小，未能形成完整的油膜。

流路A和流路B在兜孔的周向間隙和軸向間隙內(nèi)流動時主要為徑向流動，與自身受到的離心力處于同一平面內(nèi)，這兩條流路中潤滑油流動的主要驅(qū)動力為潤滑油受到的離心力；而流路C中潤滑油在引導(dǎo)間隙內(nèi)流動時主要為軸向流動，流動平面與受到的離心力方向垂直，運(yùn)動的主要驅(qū)動力為間隙進(jìn)出口的靜壓力差。

流路A和流路B均為徑向流動，圖8中僅以流路B替代徑向流動，在引導(dǎo)間隙的入口N點(diǎn)處，潤滑油分B，C兩條流路。流路B由于運(yùn)動方向與原流路以及離心力方向平行，在離心力的驅(qū)動以及原流路的慣性作用下，原流路的大部分流體將會進(jìn)入軸向間隙，形成流路B；而流路C運(yùn)動方向與原流路以及離心力方向垂直，驅(qū)動力只有引導(dǎo)間隙進(jìn)出口N點(diǎn)與M點(diǎn)的靜壓力差，所以，只有少量潤滑油會進(jìn)入引導(dǎo)間隙。

圖8 潤滑油流動截面示意圖Fig.8 Flow section diagram of lubricating oil

根據(jù)上述分析可知，大部分潤滑油向徑向流動，并在離心力和慣性驅(qū)動下在軸向間隙內(nèi)流動，其流量的大小主要受輸油孔噴油流量、總壓、兜孔的軸向和周向間隙以及離心力大小的影響；軸向流動的流量主要受引導(dǎo)間隙進(jìn)出口N點(diǎn)與M點(diǎn)之間靜壓差的影響，而M點(diǎn)與外界大氣連通，靜壓保持一定，所以潤滑引導(dǎo)間隙的潤滑油流量主要受N點(diǎn)靜壓的影響，而在一定的靜壓下進(jìn)口面積越大進(jìn)入引導(dǎo)間隙的潤滑油越多。

4 輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響

增加輸油孔數(shù)量可線性增加總輸油量，并且使軸承各零件的潤滑更均勻。

在保持輸油孔數(shù)量不變的條件下，可通過施加上文提到的計算邊界條件得到不同輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響(表2)。輸油孔直徑由1.00 mm變?yōu)?.25 mm時，總輸油量增大了46.75%，輸油孔直徑由1.00 mm變?yōu)?.50 mm時，總輸油量增大了85.06%，所以，增加輸油孔直徑對總輸油量的增加效果較為明顯。

表2 輸油孔直徑對軸承總輸油量的影響Tab.2 Influence of diameter of oil delivery holes on total oil delivery of bearing

5 保持架潤滑效果的影響因素

由于保持架可能會與內(nèi)圈引導(dǎo)面、滾子之間發(fā)生碰撞，造成軸承零件的磨損，從而降低軸承壽命，因此重點(diǎn)分析潤滑油對保持架的潤滑效果及其影響因素。

5.1 潤滑效果評估參數(shù)

保持架潤滑效果分為引導(dǎo)間隙油膜質(zhì)量和保持架浮動穩(wěn)定性2個方面。

5.1.1 引導(dǎo)間隙油膜質(zhì)量

電地暖以其節(jié)能、環(huán)保、舒適、健康等特點(diǎn)，迅速進(jìn)入采暖市場，取得了人們的認(rèn)可。電地暖以其優(yōu)于水地暖的多項(xiàng)優(yōu)勢，占據(jù)了大部分地暖市場的份額，再加上天燃?xì)獾牟粩酀q價，電地暖作為節(jié)能舒適的采暖方式取代傳統(tǒng)采暖的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。

引導(dǎo)間隙油膜質(zhì)量是衡量工作狀態(tài)下引導(dǎo)間隙油膜托舉保持架的能力。衡量指標(biāo)有：油膜上下表面總壓差、引導(dǎo)間隙絕對進(jìn)油量、引導(dǎo)間隙相對進(jìn)油量和引導(dǎo)間隙總油氣比等。

較高的油膜上下表面總壓差表明油膜可以有效托起保持架，阻止保持架與內(nèi)圈引導(dǎo)面之間發(fā)生碰撞。

引導(dǎo)間隙絕對進(jìn)油量表示進(jìn)入引導(dǎo)間隙的潤滑油流量，該值越大表明引導(dǎo)間隙內(nèi)潤滑油流量越高，對保持架的潤滑效果越好；引導(dǎo)間隙相對進(jìn)油量表示進(jìn)入引導(dǎo)間隙內(nèi)潤滑油流量占總輸油量的比例，較高的相對進(jìn)油量表明軸承內(nèi)流場更有利于對保持架的潤滑。

由于仿真計算只考慮了穩(wěn)態(tài)情況下軸承引導(dǎo)間隙總壓的分布情況，而實(shí)際工作環(huán)境下隨著保持架位置的移動會壓縮其間的油氣混合物，該油氣混合物中的空氣部分則會在保持架的壓縮移動過程中擠壓變形，無法起到托起保持架的作用。因而除了引導(dǎo)間隙總壓分布外，引導(dǎo)間隙總油氣比也會影響保持架的潤滑效果，引導(dǎo)間隙總油氣比較高表明引導(dǎo)間隙內(nèi)油氣混合物抗壓能力較強(qiáng)，對保持架有較好的托舉作用。

5.1.2 保持架浮動穩(wěn)定性

保持架浮動穩(wěn)定性是保持架發(fā)生微小位移時受到油膜回復(fù)力的大小。實(shí)際工作環(huán)境下，由于引導(dǎo)間隙內(nèi)油膜的上表面存在壓力梯度，當(dāng)保持架與滾子碰撞發(fā)生微小位移時，在壓力梯度的作用下會產(chǎn)生與位移方向相反的回復(fù)力，所以，油膜上表面壓力梯度越高，則回復(fù)力越大，保持架的穩(wěn)定性越好。

5.2 當(dāng)量輸油量

(1)

式中：Vr為單個輸油孔的實(shí)際輸油量；V0為原設(shè)計點(diǎn)的單個輸油孔輸油量。

不同當(dāng)量輸油量下軸承引導(dǎo)間隙油膜總壓分布的示意圖如圖9所示，圖中的徑向距離為保持架距套圈引導(dǎo)面的距離，引導(dǎo)間隙內(nèi)油膜上下表面之間的總壓差均為2.5 MPa，油膜形成質(zhì)量較好。當(dāng)量輸油量較高時，油膜上表面位置的總壓梯度相對較大，表明保持架發(fā)生微小位移時，在油膜壓差作用下會有較大的油壓使保持架復(fù)位，從而保證保持架有較好的穩(wěn)定性。

圖9 不同當(dāng)量輸油量下軸承引導(dǎo)間隙油膜總壓的徑向分布Fig.9 Radial distribution of total pressure of oil film in guiding clearance of bearing under different equivalent oil delivery

不同當(dāng)量輸油量對保持架潤滑的影響見表3，由表可知，隨著當(dāng)量輸油量的增加，引導(dǎo)間隙進(jìn)油量、油膜上表面壓力梯度以及引導(dǎo)間隙總油氣比迅速提高，表明增大當(dāng)量輸油量改善了引導(dǎo)間隙油膜質(zhì)量，增加了保持架運(yùn)動的穩(wěn)定性。而引導(dǎo)間隙相對進(jìn)油量的提高則說明輸油孔噴油量提高改變了軸承內(nèi)潤滑油的流動形式，更有利于保持架的潤滑，原因?yàn)檩斢涂讎娪土枯^高時，潤滑油無法直接通過徑向流路，而是在徑向流路入口位置附近停滯，流速放緩，使靜壓升高，從而進(jìn)入引導(dǎo)間隙內(nèi)潤滑油的流量增加。

表3 不同當(dāng)量輸油量對保持架潤滑的影響Tab.3 Influence of different equivalent oil on cage lubrication

不同當(dāng)量輸油量下油氣比分布如圖10所示，由圖可知，當(dāng)量輸油量較小時潤滑油主要附著于滾子表面，并在離心力的作用下快速進(jìn)入軸向間隙；而當(dāng)量輸油量較大時潤滑油已經(jīng)充滿整個徑向流路，由于徑向流路流通能力有限，從而導(dǎo)致潤滑油在入口位置停滯，流速放緩和靜壓升高。

圖10 不同當(dāng)量輸油量下油氣比分布Fig.10 Distribution of gas-oil ratio under different equivalent oil delivery

5.3 引導(dǎo)間隙對潤滑的影響

引導(dǎo)間隙分別為0.2，0.4 mm時，不同當(dāng)量輸油量對引導(dǎo)間隙潤滑油總壓分布的影響如圖11所示，由圖可知，當(dāng)引導(dǎo)間隙由0.2 mm變?yōu)?.4 mm后，油膜上下表面的總壓差由2.5 MPa變?yōu)?.5 MPa，油膜形成質(zhì)量較差，無法有效阻止保持架與內(nèi)圈的直接碰撞，有可能引起保持架與內(nèi)圈的磨損。

圖11 引導(dǎo)間隙對其間油膜總壓分布的影響Fig.11 Influence of guiding clearance on total pressure distribution of oil film

此外，可以利用邊界條件計算得到引導(dǎo)間隙對潤滑油參數(shù)的影響,結(jié)果見表4，引導(dǎo)間隙的大小對進(jìn)入軸承內(nèi)的潤滑油流量幾乎沒有影響，但引導(dǎo)間隙過大導(dǎo)致保持架與引導(dǎo)面之間的空間變大，使油氣比大幅降低，不僅會導(dǎo)致油膜上下表面總壓差較低(降低80.0%)，也會導(dǎo)致油膜內(nèi)空氣含量較高(引導(dǎo)間隙總油氣比下降71.7%)，從而無法保證對保持架的潤滑效果。

表4 引導(dǎo)間隙對潤滑油參數(shù)的影響Tab.4 Influence of guiding clearance on parameters of lubricating oil

6 結(jié)論

針對航空發(fā)動機(jī)中介軸承保持架潤滑效果評估的問題，利用有限元分析技術(shù)開展了軸承油氣兩相流動分析，重點(diǎn)分析了軸承內(nèi)潤滑油分布特性及不同因素對保持架潤滑效果的影響，得到以下結(jié)論:

1)軸承保持架潤滑效果對單個輸油孔的輸油量較為敏感。增大單孔噴油量可以增加引導(dǎo)間隙內(nèi)潤滑油，改善軸承內(nèi)潤滑油流場，有利于對保持架的潤滑，增大單孔噴油量可以通過增加輸油孔直徑實(shí)現(xiàn)。

2)引導(dǎo)間隙的大小對進(jìn)入到軸承內(nèi)的潤滑油流量幾乎沒有影響，但是引導(dǎo)間隙過大無法保證對保持架的潤滑效果。