某型高DN發(fā)動機(jī)軸承試驗(yàn)故障分析及改進(jìn)

徐金超 劉公平 張言偉 黎建濤 李玉亭

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

0 引言

軸承試驗(yàn)中時有故障發(fā)生，針對試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障，分析原因，對原試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后方案的可行性。

某航空發(fā)動機(jī)主軸軸承，DN值高，試驗(yàn)時出現(xiàn)試驗(yàn)故障，報警停機(jī)，經(jīng)分析發(fā)生跑圈現(xiàn)象。軸承跑圈分為內(nèi)圈跑圈與外圈跑圈，內(nèi)圈跑圈為軸承的內(nèi)圓與軸的接觸有了間隙，產(chǎn)生與軸不同步旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。外圈跑圈為產(chǎn)生外圈在軸承室內(nèi)打滑，有跟隨軸旋轉(zhuǎn)的趨勢。以某型航空發(fā)動機(jī)主軸軸承試驗(yàn)中出現(xiàn)的跑圈現(xiàn)象為例，研究分析跑圈問題。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)軸承為滾子軸承，軸承內(nèi)徑為110mm，轉(zhuǎn)速為27 100r/min，DN值為298×104mm r/min，3個噴油嘴，供油溫度100℃，供油壓力0.5MPa，每個噴嘴的流量為2.8L/min，試驗(yàn)時載荷1 300N～8 750N。

2 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)軸承的尺寸、轉(zhuǎn)速、載荷等特點(diǎn)，選擇ZYS-106型試驗(yàn)器。ZYS-106型軸承試驗(yàn)器可完成內(nèi)徑尺寸在Φ40～Φ110mm范圍內(nèi)的球和滾子軸承的試驗(yàn)，最高轉(zhuǎn)速30 000r/min，最大軸向載荷20kN，最大徑向載荷15kN，滑油加熱最高溫度200℃，滑油最大供油壓力1MPa，試驗(yàn)器主要技術(shù)指標(biāo)和功能滿足項(xiàng)目要求。試驗(yàn)前對試驗(yàn)設(shè)備的加載系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)等進(jìn)行準(zhǔn)備狀態(tài)檢查，試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)滿足軸承試驗(yàn)條件要求。試驗(yàn)監(jiān)控參數(shù)：軸承外圈溫度、載荷、進(jìn)油溫度、回油溫度、振動、轉(zhuǎn)速、滑油壓力等。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)軸系為簡支梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)軸承位于軸系的中間，一次試驗(yàn)兩套。電主軸通過柔性聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸的軸伸端相連，提供轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)軸承的徑向載荷由徑向加載裝置施加于中間試驗(yàn)軸承上，加載大小為試驗(yàn)軸承徑向載荷的2倍。試驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 改進(jìn)前的試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)現(xiàn)象

工裝加工完畢后，進(jìn)行裝配調(diào)試，調(diào)試時出現(xiàn)：（1）振動大，異常響聲；（2）隨轉(zhuǎn)速升高，振動異常增大，振動達(dá)到7.5g個，報警停機(jī)?，F(xiàn)場檢查，手盤主軸，旋轉(zhuǎn)靈活，無卡滯。

5 故障分析

根據(jù)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障，建立故障樹，查找原因，故障樹如圖2所示。（1）軸承質(zhì)量方面，軸承的出廠檢驗(yàn)記錄表明軸承各項(xiàng)參數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi)；（2）試驗(yàn)設(shè)備方面，試驗(yàn)設(shè)備是經(jīng)過檢驗(yàn)合格的設(shè)備；（3）試驗(yàn)潤滑方面，打開試驗(yàn)設(shè)備的主體壓蓋，啟動潤滑系統(tǒng)檢查潤滑狀況，供油正常；（4）試驗(yàn)工裝方面，對零件的尺寸公差，形位公差與設(shè)計要求相比，檢驗(yàn)結(jié)果表明，零件的尺寸公差，形位公差均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，3個噴嘴的位置均正確，流量在要求的范圍內(nèi)；（5）工裝裝配方面，裝配過程按照操作規(guī)范進(jìn)行。

圖2 故障樹

軸承外觀檢測發(fā)現(xiàn)，外圈和保持架外觀正常，滾子外觀正常，軸承內(nèi)圈端面有滑蹭痕跡，如圖3所示。軸系上與滾子軸承內(nèi)圈接觸的隔圈端面有滑蹭痕跡，如圖4所示。試驗(yàn)主軸上有磨損環(huán)帶，如圖5所示。

圖3 軸承內(nèi)圈滾道

圖4 隔套內(nèi)圈端面

圖5 軸承內(nèi)圈滾道

經(jīng)分析，試驗(yàn)主軸上有磨損環(huán)帶，軸系振動大的主要原因是跑圈造成的。由于軸承內(nèi)圈與軸熱膨脹量不同，軸承內(nèi)圈與軸之間的過盈配合可能變成間隙配合，若此時壓緊力不足，端面摩擦力矩不足以克服軸承阻力距，軸承內(nèi)圈與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)圈端面與套圈端面產(chǎn)生磨損，進(jìn)而導(dǎo)致軸系運(yùn)轉(zhuǎn)失穩(wěn)，異常磨損，軸承溫度升高，設(shè)備振動增大，報警停機(jī)。

6 排故措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

由于線膨脹量及壓緊力不足造成軸承跑圈，采取如下改進(jìn)措施：

（1）采用機(jī)械限動措施，該措施能有效防止隔套在工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)動。

（2）更換軸的材料，軸的材料改成線膨脹系數(shù)大的材料，避免軸承內(nèi)圈與軸產(chǎn)生間隙配合。

（3）保證端面壓緊力，改變壓緊方式，由原來的端蓋壓緊改成螺釘壓緊。

（4）細(xì)化裝配工藝，裝配時，提高軸承內(nèi)圈加熱溫度，確保軸承端面貼近軸端面，用塞尺檢查。

改進(jìn)后的試驗(yàn)方案如圖6所示，仍采用簡支梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)軸承位于軸系的中間。左隔套與右隔套在軸向鉆4個孔，軸上相對應(yīng)位置在軸向加工螺紋孔，隔套裝上后，裝上緊定螺釘，左端試驗(yàn)軸承與左端陪試軸承用左端壓蓋壓緊，右端試驗(yàn)軸承與右端陪試軸承用右端壓蓋壓緊。

圖6 改進(jìn)前的試驗(yàn)方案

方案改進(jìn)后，進(jìn)行工裝返修、加工，安裝、調(diào)試，對改進(jìn)后的試驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。為提高對比性，在同一臺試驗(yàn)機(jī)安裝該型號軸承，在相同潤滑及相同載荷轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中：（1）軸承溫度穩(wěn)定，無異常聲音出現(xiàn)；（2）左試驗(yàn)軸承溫度較原方案軸承溫度低了6℃左右，左試驗(yàn)軸承溫度較原方案軸承溫度低了5℃左右；（3）主體振動較原方案低了2.5g左右。對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖7～9，停機(jī)后檢查軸承外觀，內(nèi)圈端面外觀正常，無打滑蹭傷。可知，改進(jìn)后方案的試驗(yàn)軸承在溫升、振動均優(yōu)于原方案，改進(jìn)措施有效，改進(jìn)方案合理可行，故障排除。

圖7 左試驗(yàn)軸承溫度對比曲線

圖8 右試驗(yàn)軸承溫度對比曲線

圖9 振動對比曲線

7 結(jié)語

根據(jù)軸承試驗(yàn)中的跑圈的故障方式，對試驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后，跑圈現(xiàn)象消失，主體振動及軸承溫度降低，軸承試驗(yàn)順利進(jìn)行。