提高航空发动机可靠性，在主轴轴承方面应采取的七项措施

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陈光/文

俄罗斯有关人员研究了西方国家发动机主轴轴承后,发现西方国家轴承具有较高的可靠性(比俄制轴承),其主要原因是:保持架采用了钢制,而俄制轴承中大多采用青铜,前者可靠性高;西方国家轴承外形尺寸要求高,且须严格检查,例如磨削的滚棒端面要检查端面跳动量;滚棒轴承中不动的外环滚道或外直径表面做成椭圆形,用以防止轴承打滑;冷却与润滑轴承的滑油过滤度高,细滤的过滤尺寸约为5~15μm,而俄产发动机中约为48~80μm等。

为提高发动机可靠性,在主轴轴承方面应采取下列措施:

(1)提高加工精度。提高轴承各元件的加工精度,不应低于4级精度,正确选用合理的游隙与装配时的配合值。装配时要按特殊的技术条件所规定的内容检查轴承,例如外观检查,检查是否有超出规定的表面缺陷与锈蚀,复查配合处的尺寸与原始游隙等。

(2)轴承环与轴线偏斜量不能大。对于长寿命的轴承要有高的可靠性时,在工作条件下轴承环与轴线偏斜量不能超出允许的标准(寿命大于1000h的轴承,偏斜量不得超过0.5′)。

(3)用3点接触的滚珠轴承。用3点接触的径向止推滚珠轴承取代4点接触的滚珠轴承可提高轴承的可靠性。

(4)钢制保持架。用钢制保持架取代青铜制保持架(俄制发动机中多采用),保持架表面最好镀银。

(5)内外环间温差小于5℃。如能有效地将轴承的热量带走并保持在轴承宽度上以及外环间有较均匀的温度场,内外环间的温差不大于5℃,可以提高轴承的可靠性。

(6)合理选用滚棒端面与挡边间间隙。滚棒轴承中,滚棒端面与挡边的轴向间隙应在0.04~0.06mm间。该间隙大于或小于此值均会使滚棒轴承的可靠性降低。

(7)采用细油滤。采用过滤度较高的滑油油滤(过滤度最好为5~15μm)过滤滑油。

燃烧室机匣是发动机主要承力结构件,它上面要安装喷油嘴、点火器和引气管等。传统的设计中,燃烧室机匣由板料做成,它的前后端焊上机械加工的安装边,喷油嘴等安装座或用精密铸造方法加工出来,或用锻件机械加工出来,然后用氢弧焊焊到机匣上。

这种结构在使用中极易在安装座周围焊缝处出现裂纹、变形与撕裂等故障。为此,在有条件的情况下,尽可能不采用这种结构,改用整体锻件,用铣削方法或用电化学加工(ECM)方法将各个安装座加工出来。国外一些新型发动机中,已较广泛地采用整体机匣。

发动机特别是高性能发动机主轴轴承的DN(D:轴承内径,mm;N:转速,r/min)值高,如不仔细设计,很容易出现故障。一旦主轴轴承出现故障,会导致发动机空中停车,例如CFM563在1989年出现的空中停车事件中,由于3号轴承损坏引起的占1/3,这一事例说明轴承的工作好坏大大影响发动机的可靠性。

滚珠与滚棒轴承并列使用

在发动机主轴轴承中,滚棒轴承仅承受转子的径向负荷,而滚珠轴承除承受径向负荷外,还承受轴向负荷,工作条件比滚棒轴承恶劣得多。因此,在现有发动机中,同一个转子上的滚珠轴承的直径系列均比滚棒轴承的重一级,以提高其承载能力。但是,即便如此,滚珠轴承仍然比滚棒轴承容易损坏,成为影响发动机可靠性的一个难点。

例如CFM563型发动机在1989年中发生过32起空中停车事件,其中由于高压压气机前滚珠轴承(3号轴承)损坏引起的空中停车事件有11起,占总停车事件中的34%。为了减轻滚珠轴承的负荷,提高发动机的可靠性,可以在滚珠轴承一侧并列一滚棒轴承。用滚棒轴承承担径向负荷,滚珠轴承仅承受轴向载荷,这样,大大地降低了滚珠轴承的负荷,改善了它的工作条件。例如,CFM565在3号轴承处就做了这种改动。

在采用滚珠与滚棒轴承并列使用时,一定要确保滚珠轴承在工作中绝不会承受径向载荷而仅承受轴向载荷,这可以采用两种方法来达到:一种方法是将滚珠轴承外环与轴承座座孔间采用大间隙配合,使转子支点处的径向负荷不能通过它传递,而滚棒轴承的外环与轴承座座孔间用过盈配合;另一种方法是滚棒轴承用刚性支座支承,滚珠轴承用弹性支座支承,例如在CFM55型中高压压气机前支点即采用了这种结构。或者两个轴承均用弹性支座支承,但滚珠轴承的弹性支座刚性弱于滚棒轴承的,GE90发动机高压压气机前支点处采用了这种结构。