航空发动机齿轮泵轴承润滑及抗偏载特性分析_解忠良.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.198 航空发动机齿轮泵轴承润滑及抗偏载特性分析*解忠良1,2 焦 见2 杨 康2(1.西北工业大学工程力学系 西安 710072；2.西安电子科技大学机电工程学院 西安 710071)摘要：针对航空发动机齿轮泵滑动轴承复杂工况下存在的润滑性能不清晰、摩擦特性不明朗的问题，将转轴转速升高，分析光滑油膜和带槽油膜压力变化，增大入口供油压力，观察承载力变化，同时，施加并增大轴承偏载。结果表明，转速升高，光滑油膜正压增大、负压减小，带槽油膜的负压降低，承载能力显著增长，入口压力对承载力的影响逐渐减弱。存在临界入口压力，使得处在低于该值的工况，转速越高，无量纲摩擦因数越大。偏载持续增大，极大可能导致轴承油膜破裂、润滑失效。存在偏载临界点，使得处于临界点以下的轴承性能较好，高于该点的轴承性能较差。此外，偏载具有刚度增强和阻尼增强的作用。研究结果为齿轮泵滑动轴承设计研发及其国产化提供理论依据。关键词：航空齿轮泵；滑动轴承；光滑油膜；带槽油膜 中图分类号：TH133 Study on the Lubrication and Anti-eccentric Load Characteristics of the Aero Gear Pump Bearing XIE Zhongliang 1,2 JIAO Jian2 YANG Kang2(1.Department of Engineering Mechanics,Northwestern Polytechnical University,Xian 710712;2.School of Mechanical-Electric Engineering,Xidian University,Xian 710071)Abstract：For the problems of uncertain lubrication performances and tribological characteristics in aero gear pump journal bearing under harsh working condition,the rotational speed is increased to analyze the pressure variation of smooth oil film and the oil film with groove,the oil supply pressure is enhanced to explored the load-carrying capacity and synchronously,the eccentric load is applied and increased.It is shown that with the increase in speed，the positive pressure of smooth oil film increases and its negative pressure decreases,the pressure of the oil film with groove descends and the load-carrying capacity significantly increases.Accordingly,the effect of inlet pressure on the load-carrying capacity is weakened.There is a critical inlet pressure value,so that the higher the speed is,the larger the dimensionless coefficient of friction is when the working condition is below this value.The eccentric load continues to increase，which may lead to the rupture in oil film and lubrication failure.The existence of eccentric load critical point makes the bearing below the critical point has better performance,while the bearing above the critical point has poor performance.In addition，the eccentric load can increase the effect of stiffness and damping.The research results lay a firm theoretical fundamental for the design，development and localization of aero gear pump journal bearing.Key-words：aero gear pump；journal bearing；smooth oil film；oil film with groove *国家自然科学基金(52105205)、航空发动机及燃气轮机基础科学中心(P2022B-111-003-001)、中国-中东欧国家高校联合教育(2021101)、陕西省自然科学基础研究计划(2022JM-003)、广东省自然科学基金面上(2022A1515010864)和中央高校基本科研业务费专项资金(D5000220095)资助项目。20220623 收到初稿，20221214 收到修改稿 月 2023 年 5 月 解忠良等：航空发动机齿轮泵轴承润滑及抗偏载特性分析 199 0 前言 齿轮泵滑动轴承作为航空发动机传动系统的关键支撑组件，其连接着齿轮泵的转子部件和静子部件，因此，齿轮泵滑动轴承的运行状态直接影响着航空发动机的服役寿命和可靠性。新一代先进齿轮泵的高温、高转速、大增压比和强功率负载技术，对于齿轮泵滑动轴承性能提出了更加严苛的要求。在航空发动机工作过程中，因齿轮泵在高空小表速工况下，输出的多余燃油流量会通过回油活门不断返回泵进口，从而导致温升过高，进而加剧轴承散热。高温升会造成燃油黏度降低，油膜厚度变薄，轴承润滑性能变差，进一步导致轴承内部零部件表面出现灼伤、偏磨、胶合、咬死等损伤，最终造成轴承失效，丧失润滑和承载能力。因此，研究航空发动机齿轮泵滑动轴承的润滑特性，提升其润滑性能、改善服役状况对于提高燃油泵寿命及可靠性具有重要意义。基于流体动压润滑理论，国内外学者展开了针对航空齿轮泵滑动轴承诸如可靠性分析1-2、表面微织构处理3-4和轴承材料性能5等方面的研究。上述研究仅针对航空齿轮泵滑动轴承单一模型和算法展开分析和验证。模型多用于轴承的性能测试，难以贴合工程实际。目前，针对航空齿轮泵滑动轴承在高速工况下的流体动力润滑特性分析较少。MORGRIDGE 等6对高压航天燃油泵轴承进行了分析，建立了燃油泵轴承油膜流体动力润滑模型，研究了端面密封倾斜、弹性变形和表面粗糙度对油膜的影响，结果显示，通过对齿轮端面进行精密仿形或加工处理，可获得较小的成膜改善。DU 等7提出了考虑表面弹性变形影响的液压内齿轮泵轴颈轴承润滑特性的数值分析方法，建立了轴颈轴承的油膜模型，结果表明，该模型可用于评价轴承径向微运动特性。徐佩佩等8、李永林等9分别对航空燃油柱塞泵展开了研究，建立了相应的柱塞泵轴承润滑模型和柱塞泵轴承热流体动力润滑模型，结果证明不同工作转速和载荷对柱塞泵工作效率和摩擦功耗影响显著。ZHU 等10-11进行了关于齿轮泵轴颈轴承的研究，建立了泵的流体动力学模型、轴承油膜的润滑模型。TACCONI等12开展了关于航空燃油泵混合轴颈轴承的弹流润滑特性分析，建立了航空齿轮泵弹性流体动力润滑模型，描述了在部分和满载下稳态运行时轴颈的平衡位置，结果表明，弹性位移对润滑膜压力分布影响显著。根据上述研究内容，结合航空齿轮泵滑动轴承特性，研究建立了齿轮泵轴承流体动压润滑模型。此外，在齿轮泵轴承流体动压润滑分析基础上，研究考虑了关于高压、高转速工况下轴承的偏载问题。XIE 等13研究了低黏度介质润滑下新型结构轴承的抗偏载特性，建立了考虑轴颈倾角的流体动力润滑模型，结果表明该轴承具有抗倾斜和抗偏心载荷的自稳定裕度。孙建亮等14针对偏载状态下的轧机轴承接触应力进行了分析，建立了圆柱滚子轴承偏载接触力学模型，研究表明，偏载运行状态严重影响各列轴承载荷分布。邱明等15开展了偏载工况下圆柱滚子轴承接触应力与承载能力的分析，建立了考虑偏载的圆柱滚子轴承模型。马雅丽等16针对偏载工况下圆柱滚子轴承非赫兹接触及疲劳寿命进行了分析，建立了基于接触应力且考虑偏载的轴承疲劳寿命模型，结果表明：偏载严重影响圆柱滚子轴承的疲劳寿命。综上，现有文献中有关航空齿轮泵滑动轴承特性分析相对较少。因此，基于流体动压润滑理论，进行关于考虑偏载的齿轮泵滑动轴承的研究迫在眉睫。本研究针对航空齿轮泵中的滑动轴承进行了分析，旨在探明不同工况下该类轴承的润滑性能、摩擦承载性能以及抗偏载性能，为该类轴承的设计研发提供理论支撑。1 理论分析 航空齿轮泵滑动轴承润滑过程流体域为润滑油膜。由于润滑油黏度较低且受工况限制，在转子-轴承系统启动阶段动压效应尚未形成，系统产生的压力较小。当转速达到特定值时动压效应形成，润滑油膜产生较大压力以避免轴颈与轴瓦相互接触，从而实现减摩降磨和保护转子系统表面的目的。本研究基于流体动力润滑理论，对齿轮泵滑动轴承进行静态性能分析。雷诺方程是流体计算的基本方程，其方程表达式17为 336hphphUxxyyx+=(1)式中，为密度；x为周向长度；y为周向长度；为润滑油黏度；h为油膜厚度；U为流速。对于受与垂直方向偏斜载荷作用的轴承，其油膜厚度有所改变。轴承前后端面的油膜厚度发生差异，出现一端油膜厚度大，另一端厚度小的现象。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 200 因此，油膜厚度可通过以下表达式9计算 ()()012costancos2hceLyVt=+(2)式中，0e是初始偏心率，L是轴承宽度，c是间隙，是角坐标，是不对中角，1、2是粗糙高度。在滑动轴承流体分析中，承载能力是衡量轴承性能的重要指标，轴承对转轴的作用主要体现在承载力方面。具有良好承载性能的轴承，其在转轴运行时可提供较大的压力以抵消外载。在CFD方法中，承载力一般通过如下方程18计算得到 22sin d dcos d dxyxyFpx yFpx yFFF=+(3)式中，为偏位角；xF、yF分别为承载力F在x和y方向上的分力。此外，关于摩擦因数，研究主要以无量纲形式进行描述。无量纲摩擦因数经无量纲承载力和无量纲摩擦力计算得出。无量纲承载力计算方程19如下 ()()1 210 01 220 02212cosd dsind dWpZWpZWWW=+(4)式中，p为压力；1W、2W分别为无量纲承载力W在周向和轴向的分力；为承载区起始角坐标。无量纲摩擦力19可从如下方程中计算得出 111 220 00 0011d dd dd d2ttttDhpFhZZZhh=+(5)式中，h为油膜厚度；th为空化区域油膜厚度；t为空化区开始角坐标。根据式(4)和式(5)可得出无量纲摩擦因数19 DFfW=(6)位移扰动引起的反作用力增量与位移扰动的比值定义为刚度系数。刚度系数可以分解为两个方向，刚度系数的分量是xxK、xyK、yxK和yyK。这些表达式20的定义如下 0000limlimlimlimyyxxxxyxxxyyxxxyyy