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滾動軸承游隙小,內(nèi)外環(huán)間的相對活動量小,對轉(zhuǎn)子的工作有利,這對于長期穩(wěn)定工作的機器是十分有益的。但是對于工作變化多,停車以后經(jīng)過幾十分鐘又要開車的航空發(fā)動機而言,卻不能選用小游隙軸承。
航空發(fā)動機主軸軸承DN值高,工作時摩擦產(chǎn)生的摩擦熱很大,加上由環(huán)境(發(fā)動機內(nèi)腔處于高溫)及相鄰零件(例如渦輪輪盤等)傳給的熱量也較大,需用滑油不斷地將熱量帶走,當(dāng)由滑油帶走的熱量與軸承發(fā)出的熱量加上外界傳入的熱量平衡時,軸承即穩(wěn)定于某一溫度下。
航空發(fā)動機的滑油泵由發(fā)動機的附件傳動裝置驅(qū)動,當(dāng)發(fā)動機停車后,滑油泵也隨即停止工作,無滑油噴向軸承,軸承的熱量無法由滑油帶走??墒?,從另一方面來看,當(dāng)發(fā)動機停車后,軸承相鄰的零件、組件的熱量有很大一部分通過軸傳到軸承,再由支承軸承的機匣外傳。因此,停車后,軸承的溫度不僅不會降低,反而會增加,增加到一定時間后,隨著整個轉(zhuǎn)子溫度降低才開始降低,這一特性對裝于渦輪附近的軸承尤為突出。因為發(fā)動機工作時,高溫燃氣流過渦輪工作葉片,使葉片與輪盤溫度均較高,停車后,由于葉片與輪盤較厚較大,含蓄的熱量特別多,因而傳給軸承的熱量多,而且持續(xù)時間長,一般需經(jīng)過30~40min后,軸承溫度才開始降低。
渦輪軸軸承溫度在發(fā)動機停車后,隨停車后時間增長而上升的趨勢。這一趨勢,對于其他機械設(shè)備影響不大,例如,驅(qū)動用于峰值發(fā)電機的燃氣輪機,每天在晚6點至10點用電高峰期間才工作,停車后要到第二天再工作,這時軸承已完全涼下來了。但是,對于航空發(fā)動機而言,這一變化趨勢對軸承的工作有較大的影響。例如,對于民航用發(fā)動機,當(dāng)客機降落后,很快經(jīng)過下上乘客,補充燃料與給養(yǎng),可能在40min后,要重新啟動,重上藍天。又如,對于戰(zhàn)斗機而言,平時訓(xùn)練中,經(jīng)常會進行著陸后,停留一段時間再上藍天。作戰(zhàn)時,更會遇到降落后,立即加油與補充彈藥,然后再次起飛重新投入戰(zhàn)斗。對于在研的發(fā)動機,發(fā)動機在調(diào)試中,經(jīng)常會由于某些原因需停車,進行調(diào)整與排故然后再次啟動。對于這些情況,如果停車與再次啟動的間隔時間在半個小時左右,正好落在軸承處于最高溫度的時間內(nèi)。由于停車時軸承熱流方向是由軸傳至內(nèi)環(huán),然后由外環(huán)傳至機匣,內(nèi)環(huán)溫度要高于外環(huán),這時,如果選用的軸承游隙過小,再次啟動時,軸承內(nèi)環(huán)將滾子緊緊地卡在外環(huán)內(nèi)而不能或很少地使它自由轉(zhuǎn)動,這時就容易出現(xiàn)軸承內(nèi)環(huán)在軸上或外環(huán)在軸承座內(nèi)相對轉(zhuǎn)動,使軸或軸承座以及內(nèi)環(huán)或外環(huán)出現(xiàn)過度磨損故障。
由于以上原因,航空燃氣渦輪發(fā)動機主軸用滾動軸承的游隙要比軸承規(guī)范中規(guī)定值大很多,特別是渦輪附近的軸承大得更多,因此,在發(fā)動機設(shè)計時,一定要慎重選用軸承的游隙。
航空發(fā)動機主軸軸承由于轉(zhuǎn)速高與負荷小,當(dāng)飛機作機動飛行時,軸承上還可能出現(xiàn)輕載甚至零載。當(dāng)飛機的飛行包線較大時,有時轉(zhuǎn)子軸向負荷會變方向,在變向的前后區(qū)間,作用在止推軸承(滾珠軸承)上的軸向負荷變得很小甚至為零。所有這些,均使軸承出現(xiàn)打滑。滾動軸承中,滾子與內(nèi)外環(huán)滾道間應(yīng)該是滾動摩擦,當(dāng)軸承出現(xiàn)打滑時,即滾子與滾道間出現(xiàn)滑動摩擦,摩擦系數(shù)劇增;當(dāng)滾子與滾道間的油膜由于振動與高溫等原因而遭到破壞時,就出現(xiàn)金屬表面間的摩擦,使金屬表面出現(xiàn)局部擦痕,擦痕發(fā)展很快,破壞了滾子與滾道的原有形狀與光潔度,使軸承報廢。這種由于軸承打滑引起的故障,稱為“滑蹭損傷”。
在現(xiàn)有發(fā)動機中,主軸上的滾棒軸承最容易出現(xiàn)由于打滑而引起的滑蹭損傷,滾珠軸承由于轉(zhuǎn)子始終有由氣動力產(chǎn)生的軸向負荷作用,因而不易出現(xiàn)打滑。但是當(dāng)轉(zhuǎn)子的軸向負荷在飛行中出現(xiàn)換向(即軸向負荷由向前變?yōu)橄蚝?,或反?時,該滾珠軸承必定會出現(xiàn)打滑,并引起滑蹭損傷。例如斯貝發(fā)動機,在其民用型MK512中,低壓轉(zhuǎn)子的止推軸承(為一中介軸承,其外環(huán)固定于高壓軸內(nèi))在飛行中軸向負荷始終向后,因而從未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。但當(dāng)它改進發(fā)展成為用于高速戰(zhàn)斗機的MK202時,在飛行包線內(nèi),作用于低壓轉(zhuǎn)子止推軸承的軸向負荷出現(xiàn)了換向,因而該軸承出現(xiàn)嚴(yán)重的打滑并引起滑蹭損傷現(xiàn)象。又如RB211系列發(fā)動機(22B、524、524D4D、535E4等型)中,低壓轉(zhuǎn)子的止推軸承也是一中介軸承,在飛行中,該軸承出現(xiàn)換向現(xiàn)象,因而,引起滑蹭損傷,雖采取了防止打滑的措施,但從1972年到1988年的十幾年時間內(nèi),仍不斷出現(xiàn)滑蹭損傷。直到1988年在RB211524G以后的各型號上,才基本上解決了防止打滑的問題,其方法是將低壓轉(zhuǎn)子的卸荷腔封嚴(yán)環(huán)的直徑加大,使在飛行包線內(nèi),作用于低壓轉(zhuǎn)子的軸向負荷始終向前,不出現(xiàn)換向現(xiàn)象。在RB211的后繼機型遄達800上,還在低壓渦輪軸后端增加了對滾珠軸承施加預(yù)載的軸向彈簧及小軸承。滾動軸承由于打滑引起滑蹭損傷出現(xiàn)的時間很分散,短的可能僅工作幾小時甚至幾十分鐘,長的則可能幾百小時甚至更長。在發(fā)動機設(shè)計時應(yīng)該對每個主軸承的工作條件進行分析,必要時在發(fā)動機發(fā)展試車時,對滾棒軸承是否打滑進行監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測到的打滑度,考慮飛行條件的影響,采取防滑措施。另外,應(yīng)采取設(shè)計措施,確保作用于滾珠軸承的軸向負荷在飛行包線內(nèi)不會變向。
防止主軸承打滑的措施主要有:保持架在軸承內(nèi)環(huán)上定心(例如R211低壓轉(zhuǎn)子滾珠軸承);橢圓軸承(例如JT3D、JT8D、JT15D、CF680C2和T700等發(fā)動機的滾棒軸承);三瓣外環(huán)軸承(如CF680C2的滾棒軸承);噴油改為斜噴,使噴油方向?qū)χ3旨苄D(zhuǎn)方向;將滾棒軸承改為軸向彈簧加載的滾珠軸承(例如J69發(fā)動機);用軸向彈簧對滾珠軸承施加軸向預(yù)載(例如斯貝MK202低壓轉(zhuǎn)子止推軸承處與遄達800低壓渦輪后軸處);減小游隙(例如阿伊20壓氣機前滾棒軸承)等。應(yīng)當(dāng)注意,用減小游隙來防止軸承打滑是能起到作用的,但會帶來一些不利因素,因此不建議采用。蘇制阿伊20發(fā)動機壓氣機前滾棒軸承出現(xiàn)滑蹭故障后,將游隙改小,但幾年后,又恢復(fù)到原設(shè)計的游隙。
傳動機構(gòu)中的軸承,由于轉(zhuǎn)速稍低,而且始終有齒輪嚙合時的徑向負荷作用,因而不會出現(xiàn)打滑。但是,如果在高速傳動鏈中(例如傳動油氣分離器、離心通風(fēng)器),如中間惰輪、主動齒輪、從動齒輪的中心處于一條直線上時,作用于中間惰輪支承軸承上將無負荷,該軸承必然會打滑,因此,建議將該軸承改用滑動軸承,或?qū)⑷X輪輪心不處于一直線上。
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