中介軸承導(dǎo)致的高低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象

1、中介軸承導(dǎo)致的高低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象為了降低重量， 提高推重比， 現(xiàn)代航空發(fā)動機普遍采用中介 軸承結(jié)構(gòu)， 即高壓轉(zhuǎn)子的后支點支承在低壓軸上。 某型航空發(fā)動 機采取中介軸承外環(huán)隨高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 內(nèi)環(huán)隨低壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支 承方式， 發(fā)動機工作時， 由于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及環(huán)境溫度均高于低 壓轉(zhuǎn)子，受離心力和溫度影響，軸承外環(huán)變形量大于軸承內(nèi)環(huán)， 軸承徑向游隙向增大的方向變化， 為了保證軸承的穩(wěn)定工作， 一 般軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)配合均選取較大的過盈量， 使裝配時軸承處于 游隙較小的狀態(tài)。 某航空發(fā)動機裝配時， 搖轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時發(fā)現(xiàn)低 壓轉(zhuǎn)子存在隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 該現(xiàn)象與軸承的裝配游隙為負游隙相 關(guān)。1. 故障現(xiàn)象描

2、述某航空發(fā)動機裝配后進行試驗， 出現(xiàn)高、 低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn) 現(xiàn)象，表現(xiàn)為當緩慢轉(zhuǎn)動高壓轉(zhuǎn)子時（通過上部減速器機匣）， 低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，檢查分析發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象存在以下規(guī) 律：（1）高壓轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動時低壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當 轉(zhuǎn)速提高時隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失， 起動機帶轉(zhuǎn)冷運轉(zhuǎn)驗證也表明該 現(xiàn)象對發(fā)動機起動過程無影響。（2）發(fā)動機正常工作時，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象時，高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)（3）相比按發(fā)動機工作方向即正向旋轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子（順航向 順時針） ，反向旋轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時更容易出現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn) 象。（4）通過進氣機匣手動兩個方向轉(zhuǎn)動低壓轉(zhuǎn)子時，高壓轉(zhuǎn) 子均不隨動

3、旋轉(zhuǎn)， 原因為高低壓轉(zhuǎn)子間相互作用力較小， 轉(zhuǎn)動低 壓轉(zhuǎn)子時， 不足以造成質(zhì)量更重的高壓轉(zhuǎn)子 （需同時帶動上部減 速器和燃、滑油附件轉(zhuǎn)動）隨動旋轉(zhuǎn)。（5）對出現(xiàn)高低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)動機進行分解檢 查時發(fā)現(xiàn)，當發(fā)動機轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，緩慢搖轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子時，不出 現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。2. 故障原因分析2.1 結(jié)構(gòu)分析根據(jù)高、 低壓轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象分析， 造成高低壓同轉(zhuǎn)的 因素應(yīng)該與高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子存在相互作用的機件相關(guān)。某航空發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子后支點為中介軸承， 外環(huán)裝配在高壓 轉(zhuǎn)子上，內(nèi)環(huán)裝配在低渦轉(zhuǎn)子上，高、低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，高低 壓轉(zhuǎn)子之間通過篦齒和蜂窩環(huán)、 篦齒和銀銅涂層進行等摩擦副進

4、 行封嚴，從結(jié)構(gòu)看，高、低壓轉(zhuǎn)子在冷態(tài)（出現(xiàn)同轉(zhuǎn)時）存在互 相作用有兩種可能：（1）中介軸承裝配后游隙較小，可能造成轉(zhuǎn)動高壓時低壓 轉(zhuǎn)子隨動旋轉(zhuǎn)。2）篦齒、蜂窩（涂層）封嚴處由于存在磨損形成的毛刺、 蜂窩 /涂層圓度偏大，轉(zhuǎn)子重力和軸承游隙對間隙存在影響等因 素，間隙小點可能在冷態(tài)存在相互作用的情況。2.2 相關(guān)要素分析（1）軸承裝配因素分析某航空發(fā)動機中介軸承外環(huán)要求配合值為-0.063m m-0.091mm,內(nèi)環(huán)要求配合值為-0.023mm-0.041mm,軸承自由游 隙為 0.06mm0.07mm。軸承內(nèi)、外環(huán)材料均為軸承鋼Cr4Mo4V其常溫下彈性模量為203.4GPa,對應(yīng)支承的高渦

5、后軸、低渦軸材料為高溫合金 GH4169其常溫下彈性模量為 204GPa將軸承內(nèi)、外環(huán)、高渦 后軸、低渦軸均簡化為厚度一定的圓環(huán) 通過有限元分析法對軸 承內(nèi)外環(huán)以及對應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)的剛度比進行分析 高渦軸與軸承 外環(huán)的剛度比為 1.8 低渦軸與軸承內(nèi)環(huán)的剛度比為 2.02 按相 應(yīng)剛度比計算裝配游隙 理論上裝配游隙為 -0.026mm0.014mm 對故障發(fā)動機中介軸承進行測量計算 裝配游隙為-0.019mm-0.025mm 基本處于設(shè)計要求的下限狀態(tài)。進一步復(fù)查分析表明軸承外環(huán)配合量偏上限是軸承裝配游 隙處于要求下限的主要因素 復(fù)查發(fā)現(xiàn) 為保證軸承的穩(wěn)定工作 經(jīng)過有限元分析計算和軸承配合與試驗

6、驗證情況的關(guān)聯(lián)分析 裝 配時將中介軸承外環(huán)過盈量由0.063mn0.091m m控制為0.074mm0.091mm 并通過對軸承外環(huán)鍍鉻處理的方式提高軸承 配合緊度 造成軸承外環(huán)配合偏上限 裝配游隙偏下限。（2）封嚴間隙影響分析高、低壓之間封嚴處間隙要求最小值基本為0.1mm受機件變形等因素影響后， 不排除間隙小點存在相互作用的可能， 但多 臺發(fā)動機通過更換相應(yīng)封嚴處蜂窩和涂層的方式進行排故， 再次 試車后仍存在高低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 同時經(jīng)試車磨合也無法消除同轉(zhuǎn) 現(xiàn)象，判定高低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象與封嚴間隙關(guān)聯(lián)不大。2.3 原因分析綜合上述因素分析， 發(fā)動機高、 低壓同轉(zhuǎn)的原因與中介軸承 裝配狀態(tài)下游隙偏下

7、限有關(guān)， 在裝配游隙較小的情況下， 受重力 影響，中介軸承上部游隙更小，當高壓轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動時（以順航 向順時針為例），由于離心力可忽略，中介軸承外環(huán)處一直存在 向下的較大壓力， 外環(huán)和滾子之間摩擦力較大， 使?jié)L子在正上方 區(qū)域內(nèi)不發(fā)生自轉(zhuǎn)， 由外環(huán)帶動順航向順時針轉(zhuǎn)動， 內(nèi)環(huán)對滾子 施加的摩擦力為順航向逆時針以阻止?jié)L子隨外環(huán)轉(zhuǎn)動， 則滾子對 內(nèi)環(huán)施加的摩擦力為順航向順時針， 當滾子對內(nèi)環(huán)施加的摩擦力 大于低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動阻力時， 低壓轉(zhuǎn)子順航向順時針轉(zhuǎn)動， 表現(xiàn) 為與高壓轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)；當高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增快時，離心力 ?c 重 力的合力造成壓力大小和方向的不斷變化， 由于不能持續(xù)的對內(nèi) 環(huán)施加摩擦力

8、，低壓不出現(xiàn)隨動現(xiàn)象。而當發(fā)動機豎直狀態(tài)時， 中介軸承不再受向下的正壓力影響，所以也不出現(xiàn)低壓隨動現(xiàn) 象。按設(shè)計狀態(tài)推算，高壓轉(zhuǎn)子重量約111kg，質(zhì)心中心距約 171mm高渦轉(zhuǎn)子重量約138kg，質(zhì)心中心距約195mm理想狀態(tài) 下計算離心力，當轉(zhuǎn)速 w=20rad/s，即約192轉(zhuǎn)/min時，離心力 即可抵消重力作用，實際情況下，由于質(zhì)心中心距更大，轉(zhuǎn)速更 低時離心力即可抵消重力作用，不再發(fā)生低壓隨動現(xiàn)象。3. 故障影響分析從現(xiàn)象分析， 發(fā)動機出現(xiàn)高、 低壓同轉(zhuǎn)現(xiàn)象后進行過冷運轉(zhuǎn) 驗證，驗證結(jié)果表明該現(xiàn)象對發(fā)動機起動無影響。對中介軸承進行檢查發(fā)現(xiàn)， 軸承外環(huán)配合雖然過盈較大， 但 仍在設(shè)計要求范圍內(nèi)， 發(fā)動機工作時受離心力和熱變形影響， 中 介軸承游隙增大，對后續(xù)工作不產(chǎn)生影響。該現(xiàn)象只在發(fā)動機冷態(tài)出現(xiàn)， 體現(xiàn)的應(yīng)力水平遠小于工作過 程中的應(yīng)力水平和機件的應(yīng)力許用水平， 不會造成機件的結(jié)構(gòu)性 損傷，對后續(xù)工作不產(chǎn)生影響， 綜合考慮該現(xiàn)象對發(fā)動機使用質(zhì) 量無影響。結(jié)論為保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)