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硬核航空:国外航空发动机滚动轴承零件设计

文章来源: 航空之家       发布时间:2019-08-13

硬核航空:国外航空发动机滚动轴承零件设计


内环分开的滚珠轴承,目前大多数发动机主推力轴承均做成内环分开的三点接触式轴承,如图10所示。这种结构可以增加接触角与滚珠数目,同时保持架能做成整体式,从而使承受轴向载荷的能力提高很多。在设计这种轴承时要合理选择滚珠半径r与滚道曲率半径R之比。为了提高承载能力,选用的R/r有时达到1.02。


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图10、三点接触式形滚珠轴承


罗·罗公司采用了四点接触的内环分开轴承,如图11所示。在这种轴承中,对称的两点(a与c,b与d)不在同一直径上。这样做减少了滚珠表面承受载荷的重复次数,不致在工作期内出现剥落。据称“达特”的压气机推力轴承只采取这一措施,在其他尺寸不变的情况下,承受载荷的能力就提高了80%。


带安装边的轴承,在一些发动机上,轴承外环做成带安装边的。轴承通过安装边用螺钉固定在支座上。这种结构能保证轴承在长期工作中不致松动,避免轴承在支座中转动而出现磨损。JT9D的 2号轴承即是一例,如图12所示。罗·罗公司的很多发动机主轴承均采用这种结构。


20世纪90年代中后期,一些为航空发动机工厂提供轴承的厂家,已将与轴承有关的零件与轴承作为一体,形成所谓的"集成设计的轴承"。例如,将高压压气机前短轴与轴承(内环)作为一体,将鼠笼式弹性支座与轴承(外环)作为一体,将带齿轮的传动轴与轴承作成一体等。


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图11、四点接触的内环分开滚珠轴承


采用"集成设计的轴承"可减少发动机零件数,简化发动机的装配,提高发动机可靠性并能降低集成轴承的重量与成本。德国FAG轴承公司的统计数据表明,在民用高涵道比涡轮风扇发动机高压压气机前轴承处,通常的设计是将滚珠轴承、鼠笼式弹性支座与挤压油膜环均单独作成,轴承制造厂仅提供轴承,其他零件由发动机制造厂自行设计生产;在采用集成设计的轴承时,由轴承制造厂将上述零件与轴承作为一体向发动机制造厂提供,其生产成本可降低23%左右,重量可减少30%左右。


采用集成设计的轴承结构时,由于轴承的材料需采用特殊的轴承钢 M50或 M50NiL等材料,而其他零件的材料则不同于轴承钢,两者间通过电子束焊焊接成一体。


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图12、带安装边的轴承(JT9D2号轴承)


腰鼓形滚棒,在发动机上,由于加工、装配不当以及载荷的作用,均可能使转子轴线与轴承座孔轴线不重合而形成偏斜。这种偏斜在实际使用中很难避免。一般圆柱形滚棒轴承(通常都采用这种结构)在轴线偏斜时,就会造成在滚棒两端的载荷过大,如图13(a)所示,以致引起滚道剥落,滚棒端面磨损,保持架过渡磨损等损伤。


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图13、两种轴承滚子载荷的分布比较


因此,在大多数发动机主轴承上,均采用了两端直径较小的腰鼓形滚棒,从而改善了载荷的分配,如图13(b)所示。图14示出了典型的腰鼓形滚棒的设计。当轴线偏斜较大时,必须要有较大的鼓形差度,但鼓形差度大于0.0178mm后,则对纠正偏斜的作用影响不大。


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图14、腰鼓形滚棒轴承滚子的设计


有时将滚棒做成圆柱形,内、外环的滚道则做成反腰鼓形。例如“达特”减速器副轴的滚棒轴承,它的鼓形差度为0.0076——0.0127mm。这种滚棒易于加工,内、外环的滚道可用成形砂轮加工,表面光洁度可达▽10以上。


滚棒的平衡,在腰鼓形滚棒中,由于滚棒端面对外径垂直度不够,或由于鼓形半径对滚棒的平直段偏心过大,或由于腰鼓的型面相对滚棒平直段偏斜(如图l5所示)时,会造成滚棒的不平衡,因而在工作中会形成滚棒的回转偏斜,使滚棒端面磨损。


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图15、腰鼓型面段偏斜的滚捧


图16示出了由于滚棒歪斜而产生的典型端面磨损情况。因此对于DN值大于2.0×106的高速滚棒轴承,必须增加一些特殊的要求。例如,对鼓形半径相对于平直段的偏心度、腰鼓型面相对于平直段的不同心度以及滚棒端面对外径的垂直度均有严格要求以保证滚棒的平衡。


为了使滚棒不在保持架的隔框中产生过度的磨损,同时使滚棒轴承环的槽道中有很好的润滑与合适的导引,滚棒与保持架隔框中应保持相当于滚棒直径5%的间隙,滚棒与糟道之间应有0.025——0.038mm的端面间隙。


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图16、滚棒歪斜时端面磨损情况


滚珠轴承的DN值大于1.5×106时,由滚珠产生的离心力就变得很大,造成外滚道上接触应力增大以及发热量增大而严重影响轴承的疲劳寿命。可以用计算机进行分析计算仔细地选择轴承内部尺寸,使滚珠做得尽量小些,改善外环的工作条件。但这种方法有它的局限性,因此在20世纪60——70年代,国外曾大力研究、实验过空心滚珠。


空心滚珠是由两个半球形薄壳体用电子束焊焊接一起而成的,如图17所示。实验指出,空心滚珠的刚性几乎同于实心滚珠。根据理论计算,采用外、内直径比为1.25的空心滚珠(滚珠的重量减少50%)与内径为150mm的滚珠轴承在高DN值下,能使轴承疲劳寿命提高3倍以上,如图18所示。


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图17、焊接的滚珠


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图18、空心滚珠对轴承寿命的影响


促使美国普惠公司研究在轴承中采用空心滚子的主要理由有四个:


(l)减小轴承重量;


(2)在高的 DN值下减小作用于外环上的离心力与发热量,提高高速轴承的疲劳寿命;


(3)滚子变成柔性,能施加弹性载荷,消除打滑同时允许轴承在高温下工作; (4)可控制滚子的纤维流线,以获得最高的疲劳寿命。


虽然采用电子束焊焊接两半壳体,但是在焊缝处仍然会出现不应有的焊接缺陷,如焊接不均匀,局部的焊球等。这不仅造成滚珠的不平衡,而且后者还是滚珠疲劳裂纹的发源地。


这种裂纹向外表面发展后,会形成表面的疲劳剥落。图19为空心滚珠内焊接区形成的裂纹导致表面疲劳剥落的情形。虽然对空心滚珠进行了大量研究工作,但迄今仍未能在实际中使用,这主要是由于难以保证焊后壁厚均匀以及沿圆周焊缝的穿透性一致等。


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