任誌遠　韋周慶

（中國航發沈陽（yáng）黎明航空發動機有限責任公司（sī），遼（liáo）寧沈陽　118062）

　　摘　要：某航空發動機裝（zhuāng）配後，對通過上部減速器機匣對（duì）高壓轉（zhuǎn）子進行（háng）搖轉檢查時，多次發現低壓轉子存在跟隨轉動現象，通過放大高（gāo）、低（dī）壓轉子之間摩（mó）擦副間隙的方法未排除故障，進一步（bù）複查發現故障（zhàng）發動（dòng）機中介（jiè）軸承（chéng）外環過盈量偏大導致軸承裝配遊隙偏下限（xiàn），分析認為軸承裝配時存在較大的負遊隙是同轉（zhuǎn）現（xiàn）象出現（xiàn）的原因，該（gāi）現象對發動機使用質量無明顯影響，控製軸承裝（zhuāng）配遊隙後可以排（pái）除（chú）。

　　關鍵詞：中介軸承；自由遊隙；裝配遊隙；同轉

　　為了降低（dī）重量，提高推重比，現代航（háng）空發動機普遍采用中介軸承結構，即高壓轉子的後（hòu）支點支承在低壓軸上。某型航空（kōng）發動機采取中介（jiè）軸承外（wài）環隨高壓轉子旋轉，內環隨低壓轉子旋轉的支承方式，發（fā）動機工作時，由於高（gāo）壓轉子（zǐ）轉速及環境溫度均高（gāo）於低壓轉（zhuǎn）子，受離心力和溫度影響，軸承外環變形量（liàng）大於軸承內環，軸承徑向（xiàng）遊隙向增大的方向變化，為了保證軸承的穩定工作，一般軸（zhóu）承外環和（hé）內環配合均選取較大的過盈量，使裝配（pèi）時軸（zhóu）承處於遊隙（xì）較小的狀（zhuàng）態。某航（háng）空發（fā）動機裝配時，搖轉高壓轉子時發現低壓轉（zhuǎn）子存在隨動旋轉（zhuǎn）現象，該現象與軸承的裝配（pèi）遊隙為（wéi）負遊隙相（xiàng）關。

　　1.故障現象描述

　　某（mǒu）航空發動機裝配後進行試驗，出現高、低壓轉子隨（suí）動旋轉現象，表現（xiàn）為當緩慢轉動高（gāo）壓轉子時（通過上部減速器機匣），低壓轉子（zǐ）出現隨動旋轉現象，檢查分（fèn）析（xī）發現該現（xiàn）象存在（zài）以下規律：

　　（1）高壓轉子緩慢轉動時低壓轉子出現隨動旋轉現象，當轉速提高時隨動旋轉現象消（xiāo）失，起動機帶（dài）轉冷運轉驗證也表明（míng）該現象對發動機（jī）起動過程無影響。

　　（2）發動機正常工作時，高壓（yā）轉子與低壓轉子反向旋轉，出現隨動旋轉現象時，高壓轉子與低壓轉（zhuǎn）子同向旋轉。

　　（3）相比（bǐ）按發動機工作方向即正向旋轉高壓轉子（順航向順時針），反向旋轉高（gāo）壓轉子時更容易出現低壓轉子隨動旋轉（zhuǎn）現象。

　　（4）通過進氣機匣手動兩（liǎng）個方向轉動低壓轉子時，高壓轉子均不隨動旋轉（zhuǎn），原因為（wéi）高低壓轉子間（jiān）相互作用力較小，轉動低壓轉子（zǐ）時，不足以造成質量更重的高壓轉子（需同時帶動上部減速器和燃、滑油附件轉動）隨（suí）動旋轉。

　　（5）對出現高低壓轉子隨動旋轉現象的發動機進行分解檢查時發現，當發動機轉為豎直狀態，緩慢搖轉（zhuǎn）高壓轉子時，不出現低壓（yā）轉子隨動旋轉現象。

　　2.故障原因分析

　　2.1結構（gòu）分析

　　根據高、低壓轉子隨動旋轉的現象分析，造成高低壓同轉的因素應該與高壓轉子與低壓轉（zhuǎn）子存在相互作用的機件相關。

　　某（mǒu）航空發動機高壓轉子後支點為中介軸（zhóu）承，外環裝配在高壓轉子上，內環（huán）裝配在低渦轉子（zǐ）上，高、低壓轉（zhuǎn）子反向旋轉，高低壓轉子（zǐ）之間通過篦齒和蜂窩環、篦齒和（hé）銀銅塗（tú）層進行等摩擦副進行封嚴，從結構看，高（gāo）、低壓轉子在冷態（出現同轉時）存在互相作用有兩種可（kě）能：

　　（1）中介軸承裝配後（hòu）遊隙較小，可能造成轉動高壓時低壓（yā）轉子隨動旋轉。

　　（2）篦齒、蜂窩（塗層（céng））封嚴處由於（yú）存在磨損形（xíng）成的（de）毛刺、蜂窩（wō）/塗層圓度偏大，轉子（zǐ）重力和軸承遊隙對間隙存在影（yǐng）響等因素，間隙（xì）小（xiǎo）點可（kě）能在冷態存在相互作用的情況。

　　2.2相關要素分（fèn）析

　　（1）軸承裝配因素分析

　　某（mǒu）航空發（fā）動機中介軸承外（wài）環要求配合值為-0.063mm～-0.091mm，內（nèi）環要求配合值為-0.023mm～-0.041mm，軸承自由遊隙為0.06mm～0.07mm。

　　軸承內、外環材（cái）料均為軸承鋼Cr4Mo4V，其常（cháng）溫下（xià）彈性模量為203.4GPa，對應支承的高渦後軸、低渦（wō）軸材料為高溫合金GH4169，其常溫下彈性模量為204GPa，將軸承內、外環、高渦後軸（zhóu）、低渦軸均簡（jiǎn）化為厚度一定的圓環，通過（guò）有限元分析法對（duì）軸承內外環以及對應的支承結（jié）構的剛度（dù）比進行分析，高渦軸與軸承外（wài）環（huán）的剛度比為1.8，低渦軸與軸承（chéng）內環的剛度比為2.02，按相應（yīng）剛度比計算裝（zhuāng）配遊隙，理論上裝（zhuāng）配遊隙（xì）為-0.026mm～0.014mm，對（duì）故障發動機中介軸承進行測（cè）量計算，裝（zhuāng）配（pèi）遊隙（xì）為-0.019mm～-0.025mm，基本（běn）處於設計要求的下限狀（zhuàng）態。

　　進（jìn）一步複查分析表明軸承外環（huán）配合量偏上（shàng）限是軸承（chéng）裝配遊隙處於要求下限的主要（yào）因素，複查發現，為保證軸承的穩定工作（zuò），經過有限元分析計（jì）算和軸（zhóu）承配合與試驗驗（yàn）證情況的關聯分析（xī），裝配時將中介軸承（chéng）外環過盈量由0.063mm～0.091mm控（kòng）製為0.074mm～0.091mm，並通過（guò）對軸承外（wài）環鍍鉻處理的方式提高軸承（chéng）配合緊度，造成軸承外環（huán）配合偏上限，裝配遊隙偏（piān）下限。

　　（2）封嚴間隙影響分（fèn）析

　　高、低壓之間封嚴處間隙要（yào）求Z小值基本為0.1mm，受（shòu）機件變形等因素影響後，不排除間隙（xì）小點存在相互作用的可能（néng），但多台發動機通過更換相應封嚴處蜂窩和塗層的方式進行排故，再次試車後仍存在高低壓同轉現象，同（tóng）時經試車磨合（hé）也無法消除（chú）同轉現（xiàn）象，判定（dìng）高低壓同轉現象與封嚴間（jiān）隙關聯不（bú）大。

　　2.3原因（yīn）分析

　　綜合上述因素分析，發動機高、低壓（yā）同轉的（de）原因與中介軸承裝配狀態下遊隙偏下限有關，在裝配遊隙較小（xiǎo）的情況下，受重力影響（xiǎng），中介軸承上部（bù）遊隙更小，當高壓轉子緩慢轉動時（以順航向順時針為例），由於離心力可忽（hū）略（luè），中介軸承外環處一直（zhí）存在向下的較（jiào）大（dà）壓力，外環和滾子之間（jiān）摩擦力較大，使（shǐ）滾子在正上方區域內不發（fā）生自轉，由外環帶（dài）動順航向順時針轉動，內環對滾子施加的摩擦力為順航向逆時針以阻止滾（gǔn）子隨（suí）外環轉動，則滾子（zǐ）對內環施加的（de）摩擦力為順航向順時針，當滾子對內環施（shī）加的摩擦力大於低壓轉子的轉動阻力時，低壓轉子順航向順時（shí）針轉動，表現（xiàn）為與高壓轉子（zǐ）同向旋轉；當高壓（yā）轉子轉速增快時，離心力與重力的合力造成壓力大小和方向的不斷（duàn）變化，由於不能持續（xù）的對（duì）內環施加摩擦力，低壓不出現隨動現象。而當發動機（jī）豎直狀態時，中介軸承不再受向下的正壓力影（yǐng）響，所以也（yě）不出現低壓隨動現（xiàn）象。

　　按設計狀態推算，高壓轉子重量約111kg，質心中（zhōng）心距約171mm，高渦轉子重量約138kg，質心（xīn）中心距（jù）約195mm，理想狀態下計算（suàn）離心（xīn）力，當轉速w=20rad/s，即約192轉/min時，離心（xīn）力即可抵消重力作用，實際情況下，由於質心（xīn）中心距更大，轉速更低時離心力即可抵消重力（lì）作用，不（bú）再發生低壓隨動現象（xiàng）。

　　3.故障影響分析

　　從現象分析，發動機出現高、低壓同轉現象後進行過冷運轉驗證（zhèng），驗（yàn）證結果表（biǎo）明該現（xiàn）象對發（fā）動機起動無影響。

　　對中介軸承進行檢查（chá）發現，軸承外環配合雖然過盈較大，但仍在設計要求範圍內，發動機工作時（shí）受離心力和（hé）熱變形影響，中介軸承遊隙增（zēng）大，對後續（xù）工作不產生影響。

　　該現象隻在發動機冷態出現，體現的應力水平遠小（xiǎo）於工作過程中（zhōng）的（de）應力水平和機件的應力（lì）許（xǔ）用（yòng）水平，不會造成機件的結構性損傷，對（duì）後續工作不產生（shēng）影響，綜合考慮該現象對（duì）發動機使用質（zhì）量無影響。

　　結論

　　為保證（zhèng）轉子的穩定運行，中介軸承設計狀態存在較大的內外環過盈（yíng）配合，裝配狀態會產生負（fù）遊隙，同時裝配時對軸承外環配（pèi）合進行（háng）控製（zhì）造成裝配遊隙偏向下（xià）限，當裝（zhuāng）配遊隙偏下限時（shí），搖轉高壓（yā）轉子產生的拖動力會使低壓轉子跟隨（suí）轉動，這種隨動現象（xiàng）體現的應力水平（píng）較小，對發動機（jī）使用質量（liàng）無影響。

　　參考文獻

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來源：《中國新技術新產品》2017年第（dì）8期