摘要：通过研究角接触球轴承断油故障的故障复现现象，发现断油耐受能力不足的初期故障模式为滚动体与内圈之间发生三点接触。使用三点接触分析法对轴承断油耐受能力进行计算，结合相似轴承的计算分析，结果进行研究发现：垫片角越大，轴承抗断油能力越差，垫片角为25°的情况下轴承抗断油能力较差。通过断油后轴承的瞬态温度场分析，结合三点接触分析法，确定原设计状态的轴承断油耐受时间为25s，不具备耐受断油30s的能力。根据分析的结论，将该轴承的垫片角减小到19°，落实改进措施后的轴承通过了试验器验证和发动机试车验证。
关键词：角接触球轴承;大载荷;滑油中断;三点接触;轴承游隙
航空发动机主轴轴承是支撑发动机转子系统正常运转的关键零部件[1]。角接触球轴承作为航空发动机推力轴承，是一种应用非常广泛、成熟的轴承类型，其润滑方式一般为油润滑[2]。它主要承受发动机转子的轴向载荷，也承担一部分径向载荷。为了增加钢球数量，提高轴承的承载能力，通常使用双半内圈角接触球轴承。随着发动机技术的发展，主轴轴承的工作条件越来越苛刻[3]，甚至在某些状态下需要完成高状态无油运转，此时主承载面润滑状态迅速恶化，其性能和可靠性受到严峻考验[4]，对发动机主轴轴承的抗断油能力有相当高的要求[5]，如果轴承在设计时未能给予充分考虑，断油过程中滚动轴承的工作游隙将迅速减小[6]，轴承温度迅速升高，内部接触面严重磨损，严重时会造成轴承卡死[7]，导致发动机发生严重故障。为了验证轴承在断油工况下的工作能力，GJB241A⁃2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》、美国的JSSG⁃2007B《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》等标准中都对发动机滑油中断的工作能力和试验验证提出了明确的要求[8]，型号规范上通常要求发动机在最大状态下进行30s滑油中断试车。美国F117等发动机也对其No.3支点轴承在起飞状态进行了断油试验研究[9]。
因此，航空发动机主轴承的在高速大载荷工况下滑油中断耐受能力分析，是航空发动机主轴轴承寿命与可靠性研究的重要内容之一[10]。
由于滑油中断过程短，需要进行轴承的瞬态温度场分析，国外Stein等[11]建立了类似于Burton和Steph模型的非常复杂的轴承内部热传递网络，考虑了瞬态热变化的影响。Parker等[12⁃13]在Shaberth模型的基础上，采用热阻网络法建立了角接触球轴承温度场分布计算模型。目前国内已经在常规计算中对轴承供油喷嘴的压力、最佳供油、表面应力等进行较准确的分析评估[14]，针对航空发动机主轴承断油性能，许多学者进行了较为广泛的研究[15]，但航空发动机主轴轴承在高速大载荷工况下的滑油中断耐受能力分析方面工作较少，主要是进行通过性试验。
某型发动机按照型号规范要求在发动机起飞状态开展滑油中断试车，断油30s后恢复滑油供给，在滑油压力恢复过程中发动机发生喘振，发动机下台进行分解检查，主推力角接触球轴承严重损坏，所有滚珠呈黑色，有严重变形，内圈滚道严重磨损并有高温变色。
因此，本文以Cr4Mo4Ni4V材料的某型发动机主推力角接触球轴承为研究对象，通过游隙变化的计算、温度场仿真分析[16⁃17]等手段，分析和研究影响轴承断油耐受能力的因素，将其结果用于指导工程实际应用。
1断油损坏轴承的损伤痕迹及理化分析
1.1外圈
外圈滚道局部宏观图像见图1。外圈滚道表面呈黑色，可见黑色粘着物;沿周向方向存在间隔大体相等的高温变色现象;在滚道表面及边缘均存在较严重的摩擦痕迹。
在扫描电镜下观察，外圈滚道表面被粘着物覆盖，以钢球材料Cr4Mo4V为主，如图2所示。
外圈横向截面试样腐蚀后宏观图像见图3，在滚道表面附近区域可见明显的过热区(淬火层)，外圈挡边及其附近区域可见少量渗碳层，表明由于外圈滚道表面过热，导致部分滚道表面发生二次淬火。
故障轴承承载内圈已经严重磨损，端面存在明显的高温变色现象，滚道表面呈黑色，有粘着物，且存在明显的滑蹭痕迹，在滚道表面附近区域可见明显的过热区，见图4。
2滑油中断试验未通过故障原因
由于发动机上的故障轴承损坏严重，已经无法进行深入的故障原因分析，因此开展了试验器上的故障复现试验，故障复现轴承的形貌见图5~图7。根据断油试验后损坏的轴承形貌发现，在断油的过程中轴承初期故障模式为三点接触。
因为三点角接触球轴承承载能力大，所以在航空发动机的主轴轴承领域得到广泛使用，但该轴承在工作时要有足够大的径向游隙(Pd)来保证两点接触，见图8所示。
如果径向游隙减小到一定程度，将导致钢球与内圈发生三点接触，见图9。此时钢球运动失稳，与滚道间会产生很大的滑动摩擦，导致轴承急剧温升，径向游隙进一步减小，轴承卡死损坏。
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在断油的工况下，钢球和内圈会迅速受热膨胀，而外圈受到轴承座的限制，膨胀速度较慢，导致轴承的工作温度梯度变大，轴承径向游隙会相应减小，很快会发生三点接触，导致轴承急剧温升，径向游隙进一步减小，轴承卡死损坏。
2.1避免三点接触的极限径向游隙
三点接触现象的产生跟轴承的径向游隙有直接的关联，为了分析轴承游隙相关参数对轴承断油耐受能力的影响，根据轴承设计方法对最大垫片角βi,max和避免三点接触的极限径向游隙Pd′进行计算[18⁃19]。
2.2不同轴承的对比分析
在本次断油未通过故障之前，使用了相似型号的轴承进行了发动机30s断油，通过了断油试验。在发生故障后在试验器上进行了两种不同型号轴承的断油试验，结果与故障轴承相同型号的轴承未能通过30s断油试验，而相似型号的轴承则通过了30s断油试验。
根据文中第2.1节计算方法将故障轴承与通过30s断油的相似型号轴承进行对比计算，对比结果见表1。
由式(2)可知，随着最大垫片角βi，max的增大，主轴轴承抗断油径向游隙裕度逐渐减小。因此垫片厚度偏大是造成故障轴承抗断油能力较差的主要因素。
在不考虑材料线膨胀系数、轴和轴承座与轴承的过盈配合的情况下，从结构方面的计算结果显示，故障轴承垫片厚度偏大，导致故障轴承抗断油的热敏感性更高，更容易产生三点接触。当断油工作时，轴承的游隙会急剧减小，裕度不足会发生三点接触，三点接触后钢球与套圈滚道接触区出现了滑动磨损，温度急升，导致轴承卡滞破坏。
3断油轴承温度场计算分析
3.1有限元计算模型的建立
根据发动机轴承腔的结构，结合ANSYS建立计算模型。
针对轴承腔内外工作条件的特点，对某型发动机的轴承腔内部的滑油边界进行了划分。
根据简化的轴承腔结构模型，应用赫兹计算结果对轴承进行轴对称建模，划分网格，建立有限元模型[20]。将相关的材料特性赋给模型，以及按照边界条件的划分，对有限元模型的边界进行定义和分组，建立温度场简化模型。以实测外圈温度为140℃为初始条件，确定轴承及相关部分零件换热系数为3000W/(m2·K)，轴承运转产生的热量平均分配在内、外圈上。
3.2稳态热分析
在ANSYS中将轴承腔稳态边界条件进行加载并计算，得到稳态热分析计算结果，其温度分布云图如图11所示。可以看出，未断油情况下，外圈温度为140℃，内圈温度为160℃，内外圈平均温度差约为20℃。
3.3瞬态热分析
在ANSYS中进行稳态热分析计算后，将瞬态边界条件加载到模型上，并进行瞬态热分析计算，得到断油后30s时的轴承腔温度分布云图如图12所示。可以看出，外圈温度为180℃，内圈温度为240℃，断油30s后内外圈平均温度差约为60℃。
3.4故障机理分析
经实际测量，主推力角接触球轴承在最大工况条件、正常供油情况下，外圈温度为140℃，以此温度为初始条件，计算本次故障轴承在不同的内外圈温差下的径向工作游隙变化情况(初始游隙取0.2mm)，计算结果见表2。
根据计算结果绘制了轴承内外圈温差和抗断油径向游隙裕度随断油时间变化图，见图13。
在发动机正常的最大轴向负荷下，高压止推球轴承的内外圈温度梯度不超过20℃，在正常工作条件下，轴承抗断油径向游隙裕度为0.068mm，轴承有足够的游隙，不会发生三点接触。
由温度仿真可知断油25s后，内外圈平均温度差约为50℃。而计算结果表明，在断油工作条件下如果轴承工作的温度梯度超过50℃，轴承工作径向游隙将等于避免三点接触的极限径向游隙0.09mm，抗断油径向游隙裕度为0mm，发生三点接触，在此情况下，轴承的钢球运动极不稳定，产生大量的热量，造成轴承故障。由此可见，故障轴承的实际滑油中断耐受时间约为25s。
4轴承的改进和验证情况
根据分析结果制定了轴承的改进方案，将该轴承的垫片角设计值从25°减小到19°。
完成改进后，选取了3套成品轴承分别进行了3次30s地面试验器试验，完成试验后轴承完好，顺利通过试验。断油自0s开始至30s恢复供油，试验过程中轴承的温度变化情况见图14。
完成试验器断油试验后，开展了发动机整机断油30s试车，试验后轴承完好，顺利通过试验。
5结论
1)三点角接触球轴承断油耐受能力不足的初期故障模式为钢球与两个内圈之间发生三点接触。
2)垫片角过大是造成故障轴承抗断油能力较差的主要因素，减小垫片角有利于轴承抗断油能力的提高。
3)三点角接触球轴承的断油耐受时间可以用三点接触分析法结合温度场仿真进行分析。——论文作者：刘鲁1，赵聪1，冯小川2，王黎钦3
