堡 Ｑ 二兰！ ＣＮ４１—１１４８／ＴＨ 轴承２０１７年１２期
Ｂｅａｒｉｎｇ ２０１７，Ｎｏ．１２
ＤＯＩ：１０．１９５３３／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００—３７６２．２０１７．１２．０１４
带有弹支结构的航空发动机轴承性能试验研究 铁晓艳 ．２＇ ，谷运龙 ， ，一，吴易明 ， ，一，王健 。，李斑虎 ， ， （１．洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳４７１０３９；２．河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳４７１０３９； ３．滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳４７１０３９）
摘要：航空发动机转子系统中采用弹性支承加挤压油膜阻尼的支承结构减小振动，为验证某带有弹支结构的轴 承在实际发动机中是否能满足工作需要，需对其进行性能试验考核。通过分析轴承特点设计了试验方案，并对 其进行验证，顺利通过了５０ ｈ性能试验的考核。 关键词：角接触球轴承；弹支结构；性能试验；振动 中图分类号：ＴＨ１３３．３３ 文献标志鸫：Ｂ 文章编号：１０００—３７６２（２０１７）１２—００５３一ｏ３
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ａｅｒｏ—－Ｅｎｇｉｎｅ Ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｔｉｅ Ｘｉａｏｙａｎ ＇ ，Ｇｕ Ｙｕｎｌｏｎｇ ’ ，Ｗｕ Ｙｉｍｉｎｇ ’ ，Ｗａｎｇ Ｊｉａｎ ， ，Ｌｉ Ｂａｎｈｕ ， ＇ （１．Ｌｕｏｙａｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｎａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓ￣ａｔｅｇｉｃ Ａｌｌｉａｎｃｅ ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｑｕｅｅｚｅ ｆｉｌｍ ｄａｍｐｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｂｙ ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ ｒｏｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｉｆ ａ ｂｅ ｎｇ ｗｉｔｈ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｅｅｔ ｗｏｒｋ ｎｅｅｄｓ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅ， ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ５０ｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｐａｓｓｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｇｕｌａｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｂａｌｌ ｂｅａｒｉｎｇ；ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
航空发动机工作时，转子的振动通过支承结 构传递给机匣，对发动机的正常工作产生不利影 响。除了合理的设计结构及减小转子不平衡量等 方法，通过应用弹性支承加挤压油膜阻尼的支承 方式可有效降低发动机振动【１ Ｊ，该方式需要对弹 性支承结构的刚度及挤压油膜的阻尼比等参数进 行合理设计。为验证某带有弹支及油膜阻尼结构 是否能够满足发动机的使用要求，需对其进行性 能试验。 １ 试验方案 １．１弹支结构介绍 航空发动机的转速较高，某些小型航空发动 机的转速高达４０ ０００～５０ ０００ ｒ／ｒａｉｎ。轴系设计时 收稿日期：２０１７—０５—２０；修回日期：２０１７—１０—１２ 需校核临界转速，以有效避开发动机的工作转速， 防止共振。常规方法对转子结构进行合理设计， 如改变截面尺寸及支点距离等。某航空发动机采 用弹性支承加挤压油膜阻尼的支承结构嵋 形式。 弹支结构用于降低支承部位的刚性，调整转子系 统的临界转速。试验轴承处的弹支结构如图１所
图１ 弹性支承结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｉｎｇ 《轴承）２ｏ１７．Ｎｏ．１２ 示，弹支结构为鼠笼式结构，鼠笼条的长度、数目 及笼条的截面积影响弹支的静刚度 ］。鼠笼弹支 刚度为 Ｋ＝（ｚＥｂ ｈ ）／１ ， 式中： ，ｚ，ｂ，ｈ分别为鼠笼条的数目、长、宽、高； 为材料的弹性模量。试验轴承所用材料、尺寸精 度及刚度值与发动机轴承保持一致。挤压油膜阻 尼结构主要用于降低转子振动引起的支反力。油 膜阻尼主要与阻尼腔的长度、直径、半径间隙及压 力等参数有关，相关参数均与发动机轴承的实际 设计值保持一致。 １．２试验方案 试验系统由试验主体部件、试验头、润滑系 统、液压加载系统、电主轴驱动及冷却系统、电气 控制系统以及控制软件系统等组成。 被测轴承安装于试验主体部件的试验头工装 内，电主轴使用联轴器与试验轴系相连并可通过 变频器实现无级调速，冷却系统可为驱动电主轴 提供循环水冷却；液压加载系统向被测轴承施加 载荷；润滑系统为被测轴承以及陪试轴承提供正 常运转所需的润滑油，包括控制润滑油的温度及 压力；电气控制与控制软件系统对试验机的各个 测试参数进行实时控制与监测，包括电主轴的转 速、电流，被试轴承及陪试轴承的外圈温度，润滑 系统的压力及供油温度等。 １．３试验头 试验机采用桥式结构，试验轴承放置于一侧 支点处，中间加载部位及另一支点处各采用２套 三点角接触球轴承，用于承受载荷及轴向定位。 试验头结构如图２所示。采用弹性支承将试 验轴承外圈固定，弹性支承则通过螺钉固定在左 ｌ—左外衬套｝２—试验轴承润滑管ｌ ３—试验轴承，４—弹性支承； ５—挤压油膜阻尼供油管，６一加载活塞・ ・陪试轴承，８－一右外 衬套；９—陪试轴承润滑管ｌ ｌ ｌｏ—试验轴，１１—暧轴节，ｌ２＿一右 端压盖・ｌ３—陪试轴承润滑管２ 图２试验头结构示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｔｅｓｔ ｈｅａｄ 外衬套上。挤压油膜阻尼器管道提供用于减振的 阻尼油路。４套角接触球轴承两两组对，分别位于 轴中间及另一支点处，２套角接触球轴承之间用弹 簧预紧，提高轴承的刚度。试验轴通过联轴节与 高速电主轴相连，提供试验轴承所需的转速。径 向加载组件为轴中间的２套角接触球轴承施加径 向力，根据力平衡原理得到试验轴承承受的载荷。 １．４试验轴校核 试验轴是整个试验系统的受载部件及关键旋 转件，其结构强度及刚度、表面及尺寸精度、热处 理工艺、动平衡量等因素直接影响试验轴系的承 载能力及运行过程中的平稳性。为避免试验轴在 运转中产生共振，其工作转速不能与一阶临界转 速接近，也不能是一阶临界转速的简单倍数或分 数 Ｊ。因此，需对试验轴的强度、刚度及一阶临界 转速进行校核，可采用常规的理论计算或进行有 限元分析，在此不作阐述。
２性能试验 根据性能试验的载荷、转速、供油压力及润滑油 温度要求（供油温度ｌＯＯ ｏＣ），对试验轴承进行５０ ｈ 的性能试验。试验轴承温度、振动曲线如图３所示。
髫 鬟
●
８０ ｒ 薰 一一一一
００｝ ８Ｏ ———— ———— ———— ———— ———— ———一 ０ ５００ ｌ０００ ｌ ５００ ２０００ ２ ５００ ３０００
试验时问／ｓ 铁晓艳，等：带有弹支结构的航空发动机轴承性能试验研究 ・５５・ 图４试验轴承滚子的外观 Ｆｉｇ．４ Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆｔｅｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ
３ 结束语 弹性支承及油膜阻尼的结构是发动机中用于 降低振动的结构方式之一，介绍了对带有弹性支 承及油膜阻尼的结构的试验轴承的试验方案，并 进行５０ ｈ性能试验，试验过程中监测试验轴承的 温度及主体振动，试验后对轴承的相关尺寸进行
检测，这些指标均无异常变化，验证了该带有弹性 支承及油膜阻尼的结构的试验轴承顺利通过５０ ｈ 性能试验。
参考文献： ［１］佐景涛．某航空发动机轴承的研制［Ｄ］．哈尔滨：哈 尔滨工业大学，２００８． ［２］ 雷沫枝，陈运西，邓旺群．航空发动机转子弹性支承 动应力测试技术［Ｊ］．测控技术，２０１３，３２（８）：４５— ４９． ［３］ 徐方程，刘占生．鼠笼弹性支承静刚度试验研究 ［Ｃ］．第９届全国转子动力学学术讨论会ＲＯＴＤＹＮ， ２Ｏ１Ｏ． ［４］成大先．机械设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２０ｏ４． （编辑：张旭）
（上接第３８页） ３ 结论 １）经向裁切ＰＴＦＥ织物衬垫的剥离强度最好， 达１．４９ Ｎ／ｍｍ，其次是左斜向、右斜向裁切，纬向 裁切衬垫剥离强度最差。 ２）采用经向裁切衬垫的轴承圆周摆动平均摩 擦磨损寿命最长，达１ ６２６ ｈ，平均摩擦因数最低， 为０．０４，远优于其他裁切方向衬垫。 ３）经向裁切衬垫优异的剥离强度使其在轴承 倾斜摆动时也保持了良好的摩擦磨损性能。
参考文献： ［１］ 李如琰．聚四氟乙烯纤维织物在关节轴承上的应用 ［Ｊ］．功能材料，２００４，３５（增刊１）：２ ２２１—２ ２２３． ［２］沈雪瑾，曹磊，陈有光，等．织物衬垫自润滑关节轴承 的研究现状与展望［Ｊ］．轴承，２０ｏ９（３）：５７—６１． ［３］ Ｂｅａｒｉｎｇ，Ｓｌｅｅｖｅ，Ｐｌａｉｎ ａｎｄ Ｆｌａｎｇｅｄ，Ｓｅｌｆ—Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ： ＳＡＥ ＡＳ ８１９３４Ａｗ２００５［ｓ］． ［４］Ｂｅａｒｉｎｇｓ，Ｐｌａｉｎ，Ｓｅｌｆ—Ａｌｉｇｎｉｎｇ，Ｓｅｌｆ—Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ，Ｌｏｗ Ｓｐｅｅｄ ＯｓｅｉＵａｆｉＯ１１：ＳＡＥ ＡＳ ８１８２０Ｄ—２０１４［Ｓ］． ［５］王兆昌．挤压型铝合金自润滑关节轴承性能研究［Ｊ］． 轴承，２０１５（８）：３６—４０． ［６］ 何两加．挤压型不锈钢向心关节轴承的摩擦磨损性 能［Ｊ］．润滑与密封，２０１１，３６（８）：１０９—１１１． ［７］ 向定汉，潘青林，姚正军．聚四氟乙烯自润滑编织复 合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能研究［Ｊ］．摩擦 学学报，２００３，２３（１）：７２—７５．
［８］李佩隆，郭芳，姜葳，等．高承载下自润滑纤维织物复 合材料摩擦磨损性能［Ｊ］．润滑与密封，２０１６， ４ｌ（３）：１—４． ［９］胡仁松，邱明，李迎春，等．磷酸酯偶联剂改性衬 垫对自润滑关节轴承性能的影响［Ｊ］．润滑与密封， ２０１５。４０（１）：４１—４４． ［１Ｏ］苗艳伟，邱明，康鹏飞，等．衬垫的氧化铈改性处理对 自润滑关节轴承粘接性能的影响［Ｊ］．轴承， ２０１４（８）：２５—２７． ［１１］Ｔａｌａｔ Ｔｅｖｒｔｉｚ．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｌｌｅｄ Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｌｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＰＴＦＥ）Ｄｒｙ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９８，２２１（１）：６１—６８． ［１２］Ｓａｗｙｅｒ Ｗ Ｇ，Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ Ｋ Ｄ，Ｂｈｉｍａｒａｊ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆＰＴＦＥ Ｆｉｌｅｄ ｔｌｌ Ａｌｕｍｉｎａ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｅｌｅｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００３，２５４（５）： ５７３—５８０． ［１３］向定汉，潘青林，骆心怡．ＰＴＦＥ编织复合材料重载 关节轴承的旋转摩擦特性［Ｊ］．复合材料学报， ２００３。２０（６）：１２５一ｌ２９． ［１４］Ｘｉａｎｇ Ｄ Ｈ，Ｓｈｕ Ｗ Ｃ，Ｌｉ Ｋ． Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｂｅ— ｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａ Ｎｅｗ ４０Ｃｒ Ｓｔｅｅｌ—ＰＴＦＥ Ｆａｂｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｕｎｄｅｒ Ｈｅａｖｙ Ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ ｉｎｇ Ａ，２００８，４８３／４８４：３６５—３６８． － ［１５］姜葳，郭芳，王坤，等．油介质对聚四氟乙烯纤维织 物自润滑复合材料摩擦学性能的影响［Ｊ］．润滑与密 封，２０１４，３９（１１）：６—９．