岳曉晶,劉廷武,李錕
(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院,四川 綿陽 621000)
作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件,軸承性能的好壞直接影響航空發(fā)動機(jī)的使用可靠性,而隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展,對航空發(fā)動機(jī)主軸軸承的壽命、可靠性和技術(shù)性能要求越來越高,工作條件愈加苛刻[1],因此,航空發(fā)動機(jī)主軸軸承在裝機(jī)前必須進(jìn)行嚴(yán)格的試驗檢驗。目前,軸承試驗機(jī)多采用高速電主軸或電動機(jī)和齒輪增速器作為驅(qū)動,用于模擬軸承在轉(zhuǎn)速、載荷、潤滑、環(huán)境溫度和裝配條件等不同工況下的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速、載荷及升降速率需根據(jù)試驗需求實時變化,復(fù)雜工況導(dǎo)致試驗時頻繁出現(xiàn)的電動機(jī)過流停車,升降速率不達(dá)標(biāo)等問題,對設(shè)備動力系統(tǒng)提出了更高要求。
近年來,隨著磁懸浮技術(shù)的進(jìn)步,以磁懸浮軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動機(jī)中的滾動軸承或氣浮軸承的磁懸浮電動機(jī)得到青睞。磁懸浮軸承具有無機(jī)械磨損、無需潤滑、電磁力可控、加速特性優(yōu)良等優(yōu)點[2-3],可以降低因滑動摩擦造成的功率損失。相對于電主軸或電動機(jī)和齒輪增速器等動力裝置,磁懸浮電動機(jī)由于無需單獨的潤滑裝置,運行效率高且維護(hù)方便(得益于軸承模塊化設(shè)計),已廣泛應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)、離心式鼓風(fēng)機(jī)和真空泵等領(lǐng)域中。
某大尺寸軸承試驗機(jī)動力系統(tǒng)采用磁懸浮電動機(jī)取代傳統(tǒng)電主軸作為設(shè)備主要動力,針對其在軸承試驗時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的問題,從磁懸浮電動機(jī)運行特點開展研究,結(jié)合軸承試驗運行工況進(jìn)行失穩(wěn)分析并提出改善措施。
某型號航空發(fā)動機(jī)3#支點軸承耐久性試驗計劃在大尺寸軸承試驗機(jī)上進(jìn)行,如圖1所示,該試驗機(jī)采用磁懸浮電動機(jī)作為驅(qū)動,左支承軸承為三點角接觸球軸承(61822MS1),右支承軸承為圓柱滾子軸承(1002926N),可開展內(nèi)徑60~160 mm角接觸球軸承、深溝球軸承和圓柱滾子軸承的高dn值試驗(含打滑試驗)、耐久性試驗、斷油試驗以及壽命考核試驗。
圖1 試驗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of tester
軸承試驗機(jī)及其磁懸浮電動機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。為保證航空發(fā)動機(jī)軸承在安裝工藝等因素的影響下仍能達(dá)到預(yù)期運行效果,每套軸承在正式試驗前需進(jìn)行在臺磨合試驗,磨合試驗后對潤滑油采樣檢測,合格后方可進(jìn)行正式試驗。磨合試驗工況見表2。
表1 軸承試驗機(jī)及其磁懸浮電動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)
表2 磨合試驗工況Tab.2 Running-in test conditions
磨合試驗時,先對試驗軸承施加5 000 N的徑向載荷和4 800 N的軸向載荷,待載荷穩(wěn)定后啟動電動機(jī),目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為9 900 r/min,隨著磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,其軸心位移逐漸增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 100 r/min附近時軸心位移(圖2)超出報警閾值,磁懸浮電動機(jī)失穩(wěn)停車,多次嘗試均發(fā)生此現(xiàn)象,導(dǎo)致磨合試驗無法正常開展。
圖2 電動機(jī)失穩(wěn)瞬間軸心位移圖Fig.2 Axis displacement diagram at the momentof motor instability
磁懸浮軸承的間隙遠(yuǎn)大于滾動軸承游隙,同時自身集成位移監(jiān)測控制系統(tǒng),具備實時主動控制能力。當(dāng)磁懸浮電動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中所受激勵頻率與自身某階固有頻率接近時,系統(tǒng)振幅顯著增大,出現(xiàn)共振現(xiàn)象,破壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡,導(dǎo)致運行環(huán)境變差,可能引起失穩(wěn)。如果失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),而轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速受控制參數(shù)變化的影響很小,只能改變轉(zhuǎn)子本身的尺寸[4]。在無法改變電動機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下,只能通過降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡離心力和不對中產(chǎn)生的激振力,試驗轉(zhuǎn)子在試驗前均在平衡機(jī)進(jìn)行了動平衡,其不平衡量小于5 g·mm,因此主要考慮不對中對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全和穩(wěn)定的影響。
磁懸浮電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械,高速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的離心力會使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)精度、剛度性能等受到嚴(yán)重威脅。隨著轉(zhuǎn)速的提高,質(zhì)量不平衡引起的激振力會在臨界轉(zhuǎn)速時達(dá)到最大振幅[4]。通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析,可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。
磁懸浮軸承的特性與電動機(jī)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)密切相關(guān),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、偏心、陀螺力矩、外部激勵等工況參數(shù)不斷改變,僅在單個電磁軸承上難以模擬出這些變量,因此采用Comsol仿真軟件建立磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)子模型,利用Comsol的多物理場分析能力求得磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子的耦合特性。該試驗機(jī)采用了C型八磁極的徑向磁懸浮軸承,其主要參數(shù)見表3,磁懸浮電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖3所示。
表3 磁懸浮軸承的主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of magnetic bearing
圖3 電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型Fig.3 Finite element model of motor rotor system
通過設(shè)定不同直徑的等截面梁單元離散轉(zhuǎn)子中的2處錐形梁,得到轉(zhuǎn)子有限元梁模型,其中節(jié)點56個,Timoshenko梁單元55個??紤]耦合計算需在每一時間步計算電磁場、變形場等多個變量,因此控制徑向磁軸承有限元模型的網(wǎng)格數(shù),生成網(wǎng)格如圖4所示。
圖4 徑向磁軸承的網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid of radial magnetic bearing
模型建立完成后,可以通過升速響應(yīng)分析運行過程中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)何時跨越臨界轉(zhuǎn)速。由于該磁懸浮軸承的支承剛度相對于轉(zhuǎn)子剛度弱很多,轉(zhuǎn)子會有明顯的剛性臨界轉(zhuǎn)速,磁懸浮軸承處轉(zhuǎn)子升速振動特性曲線如圖5所示。
圖5 磁軸承處轉(zhuǎn)子升速振動特性曲線Fig.5 Rotor speed-up vibration characteristic curveat magnetic bearing
由圖5可知電動機(jī)在5 000 r/min附近出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速,結(jié)合圖2分析可知:電動機(jī)失穩(wěn)發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速附近,轉(zhuǎn)子位移迅速增大,超出了磁懸浮軸承的最大允許間隙,從而導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象。在無法改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的情況下,可通過改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中狀態(tài)對電動機(jī)的影響,確保電動機(jī)轉(zhuǎn)子在可接受的激振力水平下跨過一階臨界轉(zhuǎn)速,達(dá)到要求的試驗工況。
不對中是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常見的故障之一,常引起轉(zhuǎn)子振動加劇、軸承磨損、轉(zhuǎn)靜子碰摩等故障[5]。不對中分為轉(zhuǎn)子不對中和支承不對中兩類:轉(zhuǎn)子不對中涉及到要求同軸的多轉(zhuǎn)子,主要由安裝裝配或者使用過程中的相鄰轉(zhuǎn)子不同軸造成;支承不對中是指轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)軸心與支承中心線有偏離,不能重合,主要由軸承系統(tǒng)偏置造成。
2.2.1 轉(zhuǎn)子不對中
該軸承試驗機(jī)采用懸臂梁支承方式,試驗軸承安裝在懸臂端,直接承受加載系統(tǒng)施加的徑向載荷和軸向載荷。為保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子試驗時的同軸度,試驗前對磁懸浮電動機(jī)和試驗轉(zhuǎn)子進(jìn)行了安裝對中。首先,將磁懸浮軸承控制器通電,使電動機(jī)轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài),在該狀態(tài)下按照電主軸對中方式對電動機(jī)和試驗轉(zhuǎn)子進(jìn)行對中,如圖6a所示。當(dāng)向試驗軸承施加徑向載荷后,該軸承下沉,試驗轉(zhuǎn)子將以右支承軸承為支點,轉(zhuǎn)子左端上浮,上浮量為左支承軸承徑向游隙,約0.06 mm,電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線形成明顯不對中狀態(tài),如圖6b所示。
圖6 加載前、后電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子的對中情況Fig.6 Alignment of motor rotor and test rotor before and after loading
為保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗轉(zhuǎn)子有相同的回轉(zhuǎn)軸心且軸線一致,在磁懸浮電動機(jī)處于懸浮狀態(tài)的同時,也應(yīng)對試驗轉(zhuǎn)子施加一定載荷使其處于加載狀態(tài),保證試驗轉(zhuǎn)子狀態(tài)與試驗運轉(zhuǎn)時一致。在該狀態(tài)下,通過調(diào)整電動機(jī)底座高度保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子傾斜方向與試驗轉(zhuǎn)子一致,調(diào)整后整個軸系狀態(tài)如圖7所示。
圖7 轉(zhuǎn)子軸系理想對中狀態(tài)Fig.7 Ideal alignment state of rotor shafting
2.2.2 支承不對中
軸承試驗機(jī)是典型的轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng),除了轉(zhuǎn)子不對中外,支承不對中也是造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的重要因素,滾動軸承非線性力是使轉(zhuǎn)子-滾動軸承系統(tǒng)產(chǎn)生非線性振動現(xiàn)象的主要根源[6]。試驗軸承為某型角接觸球軸承,主要用于支承發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子,承擔(dān)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向載荷和徑向載荷,其中軸向載荷最大可至40 kN,軸向游隙為0.400~0.640 mm,接觸角為34°±3°。軸向載荷直接決定著試驗軸承的游隙變化,施加不均衡會導(dǎo)致軸承支承偏置。該試驗機(jī)采用液壓加載方式,通過膜片作用多加載桿對懸臂端試驗軸承施加軸向載荷,如圖8所示,由于加載過程中接觸摩擦和配合等因素的影響,各加載桿施加的力不均衡,使軸承產(chǎn)生一定的偏置,影響轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)狀態(tài)并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支承不對中。
圖8 多桿加載方式Fig.8 Multi-rod loading mode
為消除軸向載荷施加不均衡引起的支承不對中,采用如圖9所示的單桿加載方式,單桿直接作用在加載盤中心位置對軸承施加軸向載荷,并在加載桿與加載缸之間增加一個力傳感器,實時測量加載力以便進(jìn)行閉環(huán)控制。這種加載方式消除了多桿同時作用導(dǎo)致的加載不平衡問題,降低了軸向加載引起的軸承偏置,有利于改善轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)。
圖9 單桿加載方式Fig.9 Single rod loading mode
按照圖7和圖9所示,再次對試驗軸承進(jìn)行磨合試驗,試驗過程中軸心位移和轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線如圖10所示:開始試驗后,軸心軌跡x和y均隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大,在電動機(jī)啟動13 s時達(dá)到最大值(y方向約85 μm)但并未觸發(fā)報警閾值;隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加,軸心軌跡迅速減小至10 μm以下;電動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速范圍與計算結(jié)果較為一致,跨過一階臨界轉(zhuǎn)速后,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡穩(wěn)定,可以進(jìn)行軸承性能試驗。
圖10 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心位移和轉(zhuǎn)速隨時間的變化Fig.10 Variation of axial displacement and speedwith time of rotor system
該試驗軸承的某次壽命試驗過程中,電動機(jī)軸心軌跡隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化如圖11所示:隨著轉(zhuǎn)速譜和載荷譜的變化,電動機(jī)運行穩(wěn)定,軸心軌跡良好。
圖11 壽命試驗電動機(jī)軸心軌跡-轉(zhuǎn)速/載荷曲線
對磁懸浮電動機(jī)在航空發(fā)動機(jī)軸承性能試驗中的失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,針對轉(zhuǎn)子和支承不對中問題進(jìn)行改進(jìn),改善了軸向加載方式,通過試驗驗證了改進(jìn)方案的有效性。目前,該磁懸浮電動機(jī)已在大尺寸軸承試驗機(jī)中運行將近2 000 h,承擔(dān)了數(shù)個型號支點主軸軸承的性能試驗、耐久性試驗,在轉(zhuǎn)速精度控制、電動機(jī)加減速特性等方面均滿足試驗要求。