一種航空發動機中介軸承的減載設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及航空發動機結構動力學設計領域，具體是一種航空發動機中介軸承的 減載方法。
【背景技術】
[0002] 中介軸承是雙轉子航空發動機中關鍵的承力和傳動部件。其外環安裝在高壓滿輪 轉子上，內環安裝在低壓滿輪轉子上；或者相反，外環安裝在低壓滿輪轉子上，內環安裝在 高壓滿輪轉子上。因此，中介軸承內外環同時旋轉。中介軸承工作于高溫、交變載荷、不易 潤滑的環境中，容易發生故障，一旦發生故障將嚴重威脅發動機的安全運行，而降低中介軸 承的動載荷是減小故障發生率的有效途徑。
[0003] 對于圖1中的中介軸承內環上微損傷點P，它每接觸一個滾子，受到一次沖擊，與Z 個滾子的沖擊頻率為fp。圖2是滾動體對內環的沖擊力示意圖。
[0004] W內環安裝在低壓轉子上，外環安裝在高壓轉子上，兩轉子同向旋轉方案為例，對 于Z個滾動體的中介軸承，滾動體同內環上的點P、外環上點Q接觸的頻率分別為：
[0007]式中：
[000引 0H、0L高壓轉子、低壓轉子的旋轉角速度。
[000引 d 滾動體直徑；
[0010] Dm軸承節徑；
[0011] a 接觸角，指接觸面中屯、與滾動體中屯、連線和軸承徑向平面之間的夾角。
[0012] 從上式可W看出：對于單轉子系統，由于外環轉速〇H=〇,且一般不為整 數，故軸承內環特征頻率fp、外環特征頻率不可能和轉子整倍頻周期激振力的頻率相等。 但對于具有中介軸承的雙轉子發動機，按照發動機性能要求，高壓轉速Qh和低壓轉速QL 在較大范圍內變化，完全有可能使中介軸承內環特征頻率或外環特征頻率與轉子激振力頻 率相等或相近。
[0013] 在雙轉子發動機工作過程中，作用在高壓轉子的周期激振力或低壓轉子的周期激 振力是中介軸承所承受動載荷的主要來源。當軸承滾道上某一微損傷點P與軸承滾動體接 觸時，同時也受到旋轉激振力的沖擊作用，P點的動載荷即為滾動體沖擊力與旋轉激振力的 疊加。
[0014] 圖3是作用在轉子上的激振力Fimw在滾道上形成的動載荷。滾子IV、滾子m和滾 子II依次滾過內環上點P時，P點受到的載荷變化如圖所示。其中，圖3(a)是激振力頻率 和內環特征頻率不相等條件下的動載荷，圖3(b)是激振力頻率和內環特征頻率相等條件 下的動載荷。圖中Tp是旋轉激振力的周期，IP是滾子對內環沖擊力的周期。
[0015] 可W看出，滾道承受的載荷由兩部分組成：滾動體沖擊力與旋轉激振力。旋轉激振 力頻率和內環特征頻率不相等時，P點受到的沖擊力不會總為滾動體沖擊力與旋轉激振力 力幅之和；但當旋轉激振力與滾動體沖擊力同頻同相時，點P受到的沖擊力為滾動體沖擊 力與旋轉激振力力幅之和，且持續作用于P點。運種現象稱之為同步沖擊。在同步沖擊作 用下，中介軸承受到的動載荷增大，易于造成滾道的局部損傷，降低中介軸承的壽命。
[0016] 上述W內環為例，說明了同步沖擊現象。當旋轉激振力頻率和外環特征頻率相等 時，也能得到類似的結果，外環上點Q將會受到同步沖擊。
[0017] 對于雙轉子發動機，風扇葉片將產生周期性的氣體激振力，其頻率是風扇葉片數 目整倍數與低壓轉速勺乘積。發動機高/低壓轉子轉速比按照發動機性能控制率變化， 在一定范圍內會使中介軸承內環或外環特征倍頻等于或者接近風扇葉片數目，風扇葉片就 會產生頻率與中介軸承內環或外環特征頻率相等的旋轉激振力，該力與滾動體的沖擊力疊 加，就會造成對中介軸承的同步沖擊。
[0018] 為了便于減載設計，將中介軸承內環的特征頻率和外環的特征頻率改寫成低壓轉 速倍數的形式，即內、外環特征倍頻數。式（1)和式（2)變為：
[002。 式做和（4)中，包含高/低壓轉子轉速比^I高低壓轉速比變化時，內環特征 倍頻數Xp和外環特征倍頻數Xg隨之變化。
[0022] W往設計中，一般不考慮轉子激振力對中介軸承所承受動載荷的影響。但對于雙 轉子發動機，若風扇葉片數目等于或者接近中介軸承內環或外環特征倍頻時，風扇葉片就 會產生頻率與中介軸承內環或外環特征頻率相等的旋轉激振力。此時，軸承滾道承受的沖 擊力為滾動體沖擊力與旋轉激振力的力幅之和。作用在微損傷點上的沖擊力增大，且持續 受到沖擊力的作用，使得損傷加劇，由此降低中介軸承的壽命。針對運一問題，本發明提出 一種航空發動機中介軸承減載設計的方法。
[0023] 在《航空動力學報》ISSN: 1000-8055, 2013年第28卷第12期刊登的《航空發動機 中介軸承的故障特征與診斷方法》一文，建立了診斷航空發動機中介軸承故障的方法。建立 了診斷航空發動機中介軸承故障的方法。利用發動機高、低壓轉差作為觸發信號，對發動機 振動信號進行等轉差周期采集，并在轉差域對振動信號進行頻譜和包絡譜分析。利用中介 軸承故障響應在轉差域的"恒間距"特征和"恒頻"特征，辨識中介軸承局部故障。但其不 設及如何減小中介軸承動載荷的設計方法。
[0024] 中國發明專利CN200910109202. 9, 一種滾動軸承壽命試驗方法，發明了一種滾動 軸承老化試驗的方法，在等效應力水平下，實施滾動軸承壽命及可靠性的強化試驗和快速 評價。但未給出試驗軸承部件應力的特征及減載設計方法。
[00巧]中國發明專利CN201410146849.X，一種航空發動機轉子結構動力學的設計方法， 通過優化轉子和支承的參數，使得轉子系統的熱模態避開支承絕對剛性時轉子的模態，使 轉子系統在熱模態下滿足振動標準的要求。其核屯、是保證轉子在發動機整個工作轉速范圍 內，均可平穩工作。但優化設計對象為轉子系統，不設及中介軸承。
[0026] 俄羅斯專利RU2110781 (C1)"MET冊DOFFORECASTINGOFMECHANICALCONDITION OFINTERSHAFTANTIFRICTIONBEARINGINTWIN-SHAFTTURBOMACHI肥"介紹了一種在雙轉 子發動機中介軸承上安裝傳感器，并根據振動信號來判斷中介軸承狀態的方法。但其不設 及如何減小中介軸承動載荷的設計方法。
[0027] 美國專利20120070278"GASTURBI肥ENGI肥邸ARINGARRANGEMENT",介紹了一 種使用中介軸承的反向旋轉轉子結構，一個轉子系統具有轉子和靜子結構，另一個轉子系 統只有轉動部分。力圖通過結構設計控制中介軸承的保持架轉速，降低中介軸承的載荷，增 加軸承的使用壽命。其只能針對兩轉子反向旋轉轉子結構，不能適用于同向旋轉的情況。
【發明內容】
[002引為克服現有技術中航空發動機中介軸承在運轉過程中存在同步沖擊的問題，W降 低中介軸承故障率，本發明提出了一種航空發動機中介軸承的減載設計方法。
[0029] 本發明的具體過程是：
[0030] 步驟一、確定雙轉子發動機中高壓轉子和低壓轉子的轉速比。
[0031] 步驟二、確定中介軸承內環特征頻率和外環特征頻率。
[003引步驟S、確定中介軸承的特征倍頻。
[0033] 步驟四、繪制同步沖擊校核圖。
[0034] 所述同步沖擊校核圖是將風扇葉片數目與中介軸承的內環特征倍頻和外環特征 倍頻之間的關系通過圖的方式表現出來，為校核同步沖擊提供依據，該圖稱為同步沖擊校 核圖。
[0035] 在所述同步沖擊校核圖中，當中介軸承滾動體對內環滾道的沖擊力頻率與風扇葉 片激振力頻率相近時，二者疊加作用于內環滾道；當中介軸承滾動體對外環滾道的沖擊力 頻率與風扇葉片激振力頻率相近時，二者疊加作用于外環滾道。
[0036] 繪制所述同步沖擊校核圖的具體過程是：
[0037] I將內環特征