航空发动机是“支承在轴承上”的高速旋转热力机械，主轴轴承作为发动机转子系统的支承核心,对保证发动机的性能实现和可靠运转至关重要。国外航空发动机公司一直将轴承视为发动机的核心零部件，持续推进主轴轴承相关技术研发，并严格控制其技术输出。
中国航空发动机主轴轴承的技术研发起步相对较晚，加之应用于发动机上的轴承具有高温、高速、高DN值，载荷变化区间大等特点，工作条件极其恶劣因此其故障率较高且损伤形式多种多样。
本文选取发动机的1套已剥落的角接触球轴承进行剥落扩展试验,通过采用监测金属屑末含量、轴承温度转子振动等手段,对其剥落扩展规律进行分析,探索轴承的剥落极限，从而为发动机地面试车或飞行试验提供重要的技术支持。
0 1实验条件
0 1 实验轴承
试验轴承为已经在装机状态下使用500 h的3支点角接触球轴承，钢球数量为 20个。分解后在轴承外圈中央滚动体接触区域预制缺陷,采用洛氏硬度仪手动压坑，压坑直径约为1mm 数量为2x3个。随后轴承在试验器上运行了5h 后发生剥落，剥落范围约为8mmx6 mm(长x宽)试验轴承初始状态如图1所示。
从图中可见，轴承外观无明显异常除剥落区域外，内外圈沟道内其他区域无磨损痕迹。转动轴承无明显卡滞，钢球均能顺利通过剥落区域
02 试验器试验轴承安装在高温高速轴承试验器上，配合关系为内圈过盈外圈过渡。试验器转子由电主轴驱动运转，最高转速达17000 r/min,试验器主体如图2所示
试验轴承装配在试验器的转子中心，并拥有独立的腔室结构。轴承的润滑由试验润滑系统单独提供所受径向载荷和轴向载荷均直接施加至轴承外圈由液压加载系统提供;左右两侧为“一球一棒”2 套支承轴承，其润滑由设备润滑系统提供
02实验方法
0 1 润滑方式
试验轴承使用符合国军标要求的航空润滑油进行润滑，润滑条件见表 1
由于试验轴承初始状态存在疲劳剥落，试验过程中需密切关注滑油金属屑含量、轴承温度、转子振动变化等情况。因此,在试验润滑系统的回油管路、试验轴承外圈以及试验壳体靠近试验轴承处分别安装金属屑末传感器、温度传感器以及振动传感器进行实时监测，同时对涉及试验器性能的转速、供油压力供回油温度、加载能力等指标进行辅助监测各监测参数的精度见表2
在试验中，若发生下列情况之一时,需终止试验
0 1试验器转子发生抱轴时
0 2试验轴承外圈温度超过 220℃时
0 3试验器出现异常噪声,沿x3 个方向的振动均持续增大且无减缓趋势时
0 4金属屑末增长率持续提高且无减缓或降低趋势，或增长量超过10000个时
0 5试验器发生转子飞出转静子异常碰摩或存在其他安全隐患时
03 试验方案本次试验模拟发动机的真实工况，按照发动机试车载荷谱循环运行了18 h,并分解试验轴承6次，观察轴承外圈的剥落扩展情况,分别间隔 2、2、2、4、4、4h。由于目前中国可借鉴的轴承剥落扩展试验研究相对较少，因此从安全性的角度出发在试验的初期阶段增大了试验轴承分解的频次
03实验结果及分析
0 1 轴承的剥落扩展结果
按上述试验条件和方法进行试验，通过分解轴承，观察其外圈剥落扩展情况如图3所示
试验轴承剥落尺寸见表3。
此外，在 18 h试验后分解轴承发现共有5个滚动体的表面出现剥落,如图 4所示
由此可知,轴承的剥落扩展经历了快速期、平稳期、急速期3个阶段。其中,前2次试验(0~ 4 h)为快速剥落期，剥落区域沿轴承圆周和宽度方向快速扩展;中间3次试验(4~14 h)为平稳剥落期,剥落区域沿轴承圆周、宽度、深度方平稳扩展，且宽度基本已达上限;最后一次试验(14~18 h)为急速剥落期，剥落区域沿轴承圆周方向成倍扩展，且深度进一步增大，滚动体也出现了不同程度的疲劳剥落。
02 转速机加载系统监测结果按发动机截荷谱开展试验，以轴承2次分解之间的某次试验为例,转速及加载系统监测结果分别如图5、6 所示
金属屑末传感器位于试验润滑系统回油出口附近管路上，6次试验的金属屑末增长量监测结果如图7所示并见表4
单次试验的金属屑末增长率监测结果如图8所示。
由此可知，金属屑末增长总量约为 9500个(含润滑系统自循环时的增长量)。其中，前 5次试验的单次增长量差异不大，屑末增长主要集中在试验开始阶段,运行稳定后屑末增长趋于平缓。在进行最后一次试验时，屑末显著增长，单次增长量近似于前 5次试验的总和。
04 轴承温度监测结果在试验轴承外圈设置 2处温度测点，实时监测轴承温度，结果如图9所示。
由此可知，试验轴承温度的变化趋势基本相同且与运行工况有直接关系。轴承运行稳定后,温度基本保持在 150~190℃，随着轴承剥落区域的逐渐增大，轴承在大状态下的温度进一步升高，最高为202 ℃
05 转子振动监测结果振动传感器位于试验器主体试验轴承附近的外壳体表面,可同时监测转子x、y、z，3 个方向的振动情况,转子振动时域监测结果如图 10 所示
根据轴承剥落前及剥落初期的振动监测结果可知，主体振动的时域幅值通常<3g。由于本文的试验轴承为已剥落轴承，主体振动相对较大。从图 10 中可见,试验进行2h的时域最大幅值约为+35g;当试验分别进行 4、6、10h后的时域最大幅值约为±150±200g,且幅值趋于平稳;随后幅值开始出现明显增长，且从单一方向的增长变为 3方向共同增长试验进行 14h的时域最大幅值达到约±20g；试验进行18h 的时域最大幅值已达到约±620g，分析认为轴承剥落已达到非常严重的程度。
04结论
0 1
轴承试验件在出现疲劳剥落损伤后的一段时间内仍能继续工作,没有发生抱轴或更加严重的机械损坏，故轴承温度并未显著提高
0 2在试验进行至16- 18 h 期间时轴承现急速剥落状态，金属屑末增长量、转子振动指标均进一步恶化，如果继续试验极易造成试验器损坏，并且轴承有可能出现更为严重的失效形式。由此推 断经过18h试验后，轴承已达到了剥落扩展极限
0 3通过本次试验初步掌握了航空发动机主轴轴承在出现疲劳剥落损伤后的性能，以及在剥落扩展过程中各项监测指标的响应情况，由试验结果可知对金属屑末含量的监测可用于直接判断轴承是否剥落；对转子振动特性的监测可用于分析轴承是否具有剥落趋势，起到预警作用对后续发动机地面试车或飞行时轴承的状态监测具有重要的参考价值。
文章来源：《航空发动机》
来源：学术期刊
