航空發(fā)動機主軸高速滾動軸承熱分析.pdf

1、隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展，作為發(fā)動機關(guān)鍵組件的主軸用滾動軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、溫度和潤滑等工況條件日益苛刻，滾動軸承的性能、壽命和可靠性逐步成為制約航空發(fā)動機系統(tǒng)壽命和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)動機主軸軸承的失效統(tǒng)計顯示與軸承摩擦生熱加劇、工作溫度異常升高和潤滑失效密切相關(guān)的各種表面損傷已成為軸承的主要失效模型，這對軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料研究和性能預(yù)測等提出了更高的要求。本文針對航空發(fā)動機主軸用高速滾動軸承熱分析理論及方法中存在的缺陷進行改進和創(chuàng)新

2、，以提高滾動軸承熱分析精度為目標(biāo)，進行了力學(xué)特性、摩擦生熱和工作溫度分布的理論和試驗驗證研究，開發(fā)了相應(yīng)的熱分析軟件，為主軸軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱性能預(yù)測和使用提供重要的技術(shù)支持。
　　論文首先基于高速滾動軸承的擬靜力學(xué)分析方法建立了高速滾動軸承的力學(xué)特性分析模型，考慮了圓柱滾子軸承中的保持架引導(dǎo)面的摩擦力矩作用，開發(fā)了相應(yīng)的力學(xué)特性分析程序，為高速滾動軸承的熱分析奠定了基礎(chǔ)。研究了滾動軸承的力學(xué)和運動學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)增加軸向載

3、荷有利于減小球與內(nèi)圈滾道的旋滾比；考慮保持架引導(dǎo)面的摩擦力矩作用，可以提高滾子軸承打滑預(yù)測精度和熱分析精度。
　　從軸承的局部摩擦熱源入手，研究了包括球軸承和圓柱滾子軸承在內(nèi)的高速滾動軸承的摩擦生熱。與采用經(jīng)驗公式計算的滾動軸承整體摩擦生熱比較可以發(fā)現(xiàn)：低轉(zhuǎn)速時，局部法和整體法都能夠較好的預(yù)測滾動軸承摩擦生熱，但在高轉(zhuǎn)速工況下，采用經(jīng)驗公式的整體法低估了軸承的摩擦生熱。將滾動體與套圈滾道接觸面視為移動熱源，提出和建立了預(yù)測高速滾動

4、軸承工作溫度的新模型，基于該模型，采用有限元方法獲得了高速滾動軸承的二維瞬態(tài)溫度分布。將使用移動熱源新模型和熱阻網(wǎng)絡(luò)法得到的軸承溫升結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，表明移動熱源預(yù)測的軸承工作溫升與試驗值更吻合，分析精度提高約16％。進行了不同工況下的滾動軸承熱分析，發(fā)現(xiàn)軸承的內(nèi)圈滾道表面摩擦生熱和工作溫升最大，最易出現(xiàn)表面損傷失效。
　　采用混合編程的方法，將高速滾動軸承的力學(xué)特性分析、摩擦功耗分析和工作溫度分析進行集成，研制了高速球軸

5、承和滾子軸承熱分析軟件。實現(xiàn)了高速滾動軸承熱特性的參數(shù)化分析，軟件具有界面參數(shù)輸入輸出、自動建模、自動求解和自動分析的功能。軟件能夠獲得軸承組件的二維瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度分布，得到多工況參數(shù)分析時的軸承總功耗和最大溫度的變化曲線?；诟咚贊L動軸承的熱分析，以軸承總功耗和最大溫度為目標(biāo)函數(shù)，使其達到最小量，軸承的主結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，使用熱分析軟件進行了滾動軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，獲得了給定參數(shù)范圍內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值。
　　以現(xiàn)有的高速滾動

6、軸承試驗臺架為基礎(chǔ)，分別針對小型高速球軸承及小型高速圓柱滾子軸承完成了熱特性試驗驗證，獲得了軸承溫度、摩擦功耗等性能曲線。試驗結(jié)果表明軸承的載荷、轉(zhuǎn)速嚴重影響軸承的工作溫度。臺架試驗溫升結(jié)果與論文中基于局部法和移動熱源法得到的理論溫升結(jié)果比較分析可以發(fā)現(xiàn)：理論分析結(jié)果與臺架試驗結(jié)果比較吻合，兩者的差值均在10oC以內(nèi)，表明本文提出和建立的基于移動熱源的高速滾動軸承熱分析模型和方法可以較為精確和可靠的預(yù)測軸承工作溫度。
　　本文的研