一般机械中使用的滚动轴承由于转速低,且始终有负荷作用其上,很少出现打滑现象。但是航空燃气涡轮发动机主轴承却很容易打滑,这是因为:
(1)转速高。在高速作用下,滚子在大的离心力作用下有脱离内环滚道接触的趋势;
(2)负荷小。航空发动机的转子均做得较轻,使作用轴承上的径向负荷小,加上飞机作机动飞行时会在某些情况下,使作用于轴承上的负荷更小,甚至出现零载,以及转子的不平衡力在某些情况下会抵消一些作用在轴承上的径向负荷,造成轴承的轻载或零载。
这两方面的因素会使得由摩擦产生的拖动力变得很小,甚至为零,这样,就必然会引起轴承打滑,出现滑蹭损伤。对于滚珠轴承,由于它还要承受轴向载荷,所以一般不易打滑。
航空发动机轴承防止打滑的一些措施
采用增加拖动力的措施防止轴承滑蹭
减小轴承游隙,使滚子在离心力作用下仍能保持与内环滚道的接触。例如 CFM56发动机支承高压涡轮的滚棒轴承(中介轴承)即用了小游隙甚至是负游隙来减少打滑;又如 WJ6发动机的压气机前滚棒轴承在长期试车中出现严重的滑蹭损伤后,将该轴承的游隙由0.070~0.095mm 减小为0.045~0.065mm,消除了滑蹭现象。
但是,采用减小游隙的措施会带来其他严重问题,因此要慎重对待,特别对于处于发动机热端的轴承,更应慎用。
在早期的航空燃气涡轮发动机中,为了解决保持架的平衡问题,多将主轴承的保持架定位于外环,但这种设计易引发轴承出现滑蹭损伤。这是因为当保持架定位于外环时,存在于外环与保持架间的油膜在黏性的作用下妨碍滚棒保持架作正常运动引发打滑而造成的。
如将保持架定位于内环,存在于内环与保持架间的油膜在黏性的作用下将给滚子保持架组合体一个拖动力使其作正常运动。这样,将原定位于外环的保持架改成定位于内环上,不仅减小了阻力,而且还增加了拖动力,显然会减少滑蹭损伤,当然这还须提高保持架的加工精度以提高其平衡度。
装配时,对轴承施加一附加的径向或轴向载荷,即对轴承施加“预载”,使轴承工作时,始终在内、外环滚道与滚子间有负荷作用,不出现轻载或零载,以增大拖动力。对轴承施加预载的办法有:采用非圆轴承、轴向弹簧对轴承旋加预载、采用空心滚棒和调整对轴承的喷油方向等。
将轴承外环的外圆做成非圆形,而机匣安装轴承的座孔仍做成圆的。常用的非圆轴承有椭圆轴承外环与三瓣式的轴承外环。例如,将椭圆轴承压入轴承座孔中时,椭圆的长轴处(外环凸出部位)即向该处的滚子作用一预加的载荷,如长轴处于水平位置如图3所示,使在水平位置的几个滚子与内、外环间始终保持接触并作用有一定负荷,因此,除了最下部的几个滚子受到重力负荷的作用外,在其左右90°处的滚棒,也各受一定量的预加负荷,从而使承受负荷的滚子数目约增加到滚子总数的60%,能产生一定的拖动力,克服轴承打滑。
采用“打滑度”来表明滚动轴承是否打滑以及打滑的严重程度
当保持架实际转速等于保持架理论转速时,轴承不打滑,其打滑度为零;只要保持架实际转速低于理论转速,轴承即打滑,当保持架实际转速为零时,打滑度为100%。
一般用测定保持架的实际转速来求得轴承的打滑度。罗·罗公司在发展 RB211发动机时,使用了放射性同位素来探测轴承的打滑。在保持架上固定一个很小的用钴或铱(Co 60,Ir 192)丝做的放射源,利用反平方律(即传到某点的放射性强度反比于放射源至该点距离的平方)的原理,测出工作中保持架的速度,从而发现轴承是否出现打滑,并可计算出打滑度。也可利用切割磁力线的原理来测量保持架的转速。
防止作用于滚珠轴承上的轴向负荷变向
如前所述,RB211风扇转子的止推轴承为一中介轴承,由于风扇转子在工作中会出现轴向力方向改变,因而在投入使用(1972年4月)后不到半年,就出现过该滚珠轴承滑蹭损伤。
于是采取前述的将保持架外环定位改为内环定位的措施,在一定程度上解决了问题,但是由于轴向负荷换向问题没有解决,因此长期以来,在各种改型的 RB211中(524B、524C、524D4和 524D4Upgrade等),还是偶尔出现该轴承的滑蹭损伤的事件。为此,在 RB211的最后改型的 RB211524G/H(1989年投入使用)中,将卸荷腔封严环处的直径由556.20mm增大为731.52mm,消除了工作中转子轴向负荷换向的问题。
基本上解决了该轴承的打滑问题。由 RB211 524G/H 衍生发展的遄达发动机,除采用了大直径的平衡腔封严环外,还在低压涡轮轴后端加装了对转子施加预载的弹簧及小轴承,从根本上解决轴承打滑问题。
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