一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的減載設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的 減載方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中介軸承是雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的承力和傳動(dòng)部件。其外環(huán)安裝在高壓滿輪 轉(zhuǎn)子上，內(nèi)環(huán)安裝在低壓滿輪轉(zhuǎn)子上；或者相反，外環(huán)安裝在低壓滿輪轉(zhuǎn)子上，內(nèi)環(huán)安裝在 高壓滿輪轉(zhuǎn)子上。因此，中介軸承內(nèi)外環(huán)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。中介軸承工作于高溫、交變載荷、不易 潤(rùn)滑的環(huán)境中，容易發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障將嚴(yán)重威脅發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，而降低中介軸 承的動(dòng)載荷是減小故障發(fā)生率的有效途徑。
[0003] 對(duì)于圖1中的中介軸承內(nèi)環(huán)上微損傷點(diǎn)P，它每接觸一個(gè)滾子，受到一次沖擊，與Z 個(gè)滾子的沖擊頻率為fp。圖2是滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)環(huán)的沖擊力示意圖。
[0004] W內(nèi)環(huán)安裝在低壓轉(zhuǎn)子上，外環(huán)安裝在高壓轉(zhuǎn)子上，兩轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)方案為例，對(duì) 于Z個(gè)滾動(dòng)體的中介軸承，滾動(dòng)體同內(nèi)環(huán)上的點(diǎn)P、外環(huán)上點(diǎn)Q接觸的頻率分別為：
[0007]式中：
[000引 0H、0L高壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。
[000引 d 滾動(dòng)體直徑；
[0010] Dm軸承節(jié)徑；
[0011] a 接觸角，指接觸面中屯、與滾動(dòng)體中屯、連線和軸承徑向平面之間的夾角。
[0012] 從上式可W看出：對(duì)于單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于外環(huán)轉(zhuǎn)速〇H=〇,且一般不為整 數(shù)，故軸承內(nèi)環(huán)特征頻率fp、外環(huán)特征頻率不可能和轉(zhuǎn)子整倍頻周期激振力的頻率相等。 但對(duì)于具有中介軸承的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，按照發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，高壓轉(zhuǎn)速Q(mào)h和低壓轉(zhuǎn)速Q(mào)L 在較大范圍內(nèi)變化，完全有可能使中介軸承內(nèi)環(huán)特征頻率或外環(huán)特征頻率與轉(zhuǎn)子激振力頻 率相等或相近。
[0013] 在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，作用在高壓轉(zhuǎn)子的周期激振力或低壓轉(zhuǎn)子的周期激 振力是中介軸承所承受動(dòng)載荷的主要來源。當(dāng)軸承滾道上某一微損傷點(diǎn)P與軸承滾動(dòng)體接 觸時(shí)，同時(shí)也受到旋轉(zhuǎn)激振力的沖擊作用，P點(diǎn)的動(dòng)載荷即為滾動(dòng)體沖擊力與旋轉(zhuǎn)激振力的 疊加。
[0014] 圖3是作用在轉(zhuǎn)子上的激振力Fimw在滾道上形成的動(dòng)載荷。滾子IV、滾子m和滾 子II依次滾過內(nèi)環(huán)上點(diǎn)P時(shí)，P點(diǎn)受到的載荷變化如圖所示。其中，圖3(a)是激振力頻率 和內(nèi)環(huán)特征頻率不相等條件下的動(dòng)載荷，圖3(b)是激振力頻率和內(nèi)環(huán)特征頻率相等條件 下的動(dòng)載荷。圖中Tp是旋轉(zhuǎn)激振力的周期，IP是滾子對(duì)內(nèi)環(huán)沖擊力的周期。
[0015] 可W看出，滾道承受的載荷由兩部分組成：滾動(dòng)體沖擊力與旋轉(zhuǎn)激振力。旋轉(zhuǎn)激振 力頻率和內(nèi)環(huán)特征頻率不相等時(shí)，P點(diǎn)受到的沖擊力不會(huì)總為滾動(dòng)體沖擊力與旋轉(zhuǎn)激振力 力幅之和；但當(dāng)旋轉(zhuǎn)激振力與滾動(dòng)體沖擊力同頻同相時(shí)，點(diǎn)P受到的沖擊力為滾動(dòng)體沖擊 力與旋轉(zhuǎn)激振力力幅之和，且持續(xù)作用于P點(diǎn)。運(yùn)種現(xiàn)象稱之為同步?jīng)_擊。在同步?jīng)_擊作 用下，中介軸承受到的動(dòng)載荷增大，易于造成滾道的局部損傷，降低中介軸承的壽命。
[0016] 上述W內(nèi)環(huán)為例，說明了同步?jīng)_擊現(xiàn)象。當(dāng)旋轉(zhuǎn)激振力頻率和外環(huán)特征頻率相等 時(shí)，也能得到類似的結(jié)果，外環(huán)上點(diǎn)Q將會(huì)受到同步?jīng)_擊。
[0017] 對(duì)于雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇葉片將產(chǎn)生周期性的氣體激振力，其頻率是風(fēng)扇葉片數(shù) 目整倍數(shù)與低壓轉(zhuǎn)速勺乘積。發(fā)動(dòng)機(jī)高/低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比按照發(fā)動(dòng)機(jī)性能控制率變化， 在一定范圍內(nèi)會(huì)使中介軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)特征倍頻等于或者接近風(fēng)扇葉片數(shù)目，風(fēng)扇葉片就 會(huì)產(chǎn)生頻率與中介軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)特征頻率相等的旋轉(zhuǎn)激振力，該力與滾動(dòng)體的沖擊力疊 加，就會(huì)造成對(duì)中介軸承的同步?jīng)_擊。
[0018] 為了便于減載設(shè)計(jì)，將中介軸承內(nèi)環(huán)的特征頻率和外環(huán)的特征頻率改寫成低壓轉(zhuǎn) 速倍數(shù)的形式，即內(nèi)、外環(huán)特征倍頻數(shù)。式（1)和式（2)變?yōu)椋?br>[002。 式做和（4)中，包含高/低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比^I高低壓轉(zhuǎn)速比變化時(shí)，內(nèi)環(huán)特征 倍頻數(shù)Xp和外環(huán)特征倍頻數(shù)Xg隨之變化。
[0022] W往設(shè)計(jì)中，一般不考慮轉(zhuǎn)子激振力對(duì)中介軸承所承受動(dòng)載荷的影響。但對(duì)于雙 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，若風(fēng)扇葉片數(shù)目等于或者接近中介軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)特征倍頻時(shí)，風(fēng)扇葉片就 會(huì)產(chǎn)生頻率與中介軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)特征頻率相等的旋轉(zhuǎn)激振力。此時(shí)，軸承滾道承受的沖 擊力為滾動(dòng)體沖擊力與旋轉(zhuǎn)激振力的力幅之和。作用在微損傷點(diǎn)上的沖擊力增大，且持續(xù) 受到?jīng)_擊力的作用，使得損傷加劇，由此降低中介軸承的壽命。針對(duì)運(yùn)一問題，本發(fā)明提出 一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承減載設(shè)計(jì)的方法。
[0023] 在《航空動(dòng)力學(xué)報(bào)》ISSN: 1000-8055, 2013年第28卷第12期刊登的《航空發(fā)動(dòng)機(jī) 中介軸承的故障特征與診斷方法》一文，建立了診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承故障的方法。建立 了診斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承故障的方法。利用發(fā)動(dòng)機(jī)高、低壓轉(zhuǎn)差作為觸發(fā)信號(hào)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等轉(zhuǎn)差周期采集，并在轉(zhuǎn)差域?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜和包絡(luò)譜分析。利用中介 軸承故障響應(yīng)在轉(zhuǎn)差域的"恒間距"特征和"恒頻"特征，辨識(shí)中介軸承局部故障。但其不 設(shè)及如何減小中介軸承動(dòng)載荷的設(shè)計(jì)方法。
[0024] 中國(guó)發(fā)明專利CN200910109202. 9, 一種滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)方法，發(fā)明了一種滾動(dòng) 軸承老化試驗(yàn)的方法，在等效應(yīng)力水平下，實(shí)施滾動(dòng)軸承壽命及可靠性的強(qiáng)化試驗(yàn)和快速 評(píng)價(jià)。但未給出試驗(yàn)軸承部件應(yīng)力的特征及減載設(shè)計(jì)方法。
[00巧]中國(guó)發(fā)明專利CN201410146849.X，一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方法， 通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子和支承的參數(shù)，使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的熱模態(tài)避開支承絕對(duì)剛性時(shí)轉(zhuǎn)子的模態(tài)，使 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在熱模態(tài)下滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。其核屯、是保證轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)，均可平穩(wěn)工作。但優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，不設(shè)及中介軸承。
[0026] 俄羅斯專利RU2110781 (C1)"MET冊(cè)DOFFORECASTINGOFMECHANICALCONDITION OFINTERSHAFTANTIFRICTIONBEARINGINTWIN-SHAFTTURBOMACHI肥"介紹了一種在雙轉(zhuǎn) 子發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承上安裝傳感器，并根據(jù)振動(dòng)信號(hào)來判斷中介軸承狀態(tài)的方法。但其不設(shè) 及如何減小中介軸承動(dòng)載荷的設(shè)計(jì)方法。
[0027] 美國(guó)專利20120070278"GASTURBI肥ENGI肥邸ARINGARRANGEMENT",介紹了一 種使用中介軸承的反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)子和靜子結(jié)構(gòu)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)只有轉(zhuǎn)動(dòng)部分。力圖通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制中介軸承的保持架轉(zhuǎn)速，降低中介軸承的載荷，增 加軸承的使用壽命。其只能針對(duì)兩轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，不能適用于同向旋轉(zhuǎn)的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[002引為克服現(xiàn)有技術(shù)中航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在同步?jīng)_擊的問題，W降 低中介軸承故障率，本發(fā)明提出了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承的減載設(shè)計(jì)方法。
[0029] 本發(fā)明的具體過程是：
[0030] 步驟一、確定雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)中高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比。
[0031] 步驟二、確定中介軸承內(nèi)環(huán)特征頻率和外環(huán)特征頻率。
[003引步驟S、確定中介軸承的特征倍頻。
[0033] 步驟四、繪制同步?jīng)_擊校核圖。
[0034] 所述同步?jīng)_擊校核圖是將風(fēng)扇葉片數(shù)目與中介軸承的內(nèi)環(huán)特征倍頻和外環(huán)特征 倍頻之間的關(guān)系通過圖的方式表現(xiàn)出來，為校核同步?jīng)_擊提供依據(jù)，該圖稱為同步?jīng)_擊校 核圖。
[0035] 在所述同步?jīng)_擊校核圖中，當(dāng)中介軸承滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)環(huán)滾道的沖擊力頻率與風(fēng)扇葉 片激振力頻率相近時(shí)，二者疊加作用于內(nèi)環(huán)滾道；當(dāng)中介軸承滾動(dòng)體對(duì)外環(huán)滾道的沖擊力 頻率與風(fēng)扇葉片激振力頻率相近時(shí)，二者疊加作用于外環(huán)滾道。
[0036] 繪制所述同步?jīng)_擊校核圖的具體過程是：
[0037] I將內(nèi)環(huán)特征