CN113504048B - 一种带服役环境与机动载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器，整体结构依托军用涡扇发动机的中介机匣、中央传动、发附机匣和润滑系统实体件构建，采用液压加载模拟发动机静态载荷，电缸加载模拟冲击冲击载荷。试验器更加真实的模拟发动机球轴承的服役工况和环境，支撑开展球轴承、中介机匣与发附机匣传动齿轮与轴承、润滑系统等典型故障的失效规律研究，服役环境复杂振动传递路径下球轴承、传动机匣轴承等的微弱故障信号传递和表征，牵引发动机健康监控技术发展和落地应用，为军用航空装备使用安全保驾护航。
Description
技术领域
本发明涉及一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器，能够更加真实的模拟军用涡扇发动机球轴承、中央传动机匣和发动机附件机匣等系统部件的服役环境和载荷，是军用航空发动机主轴承与传动机匣健康诊断能力的关键支撑。
背景技术
航空发动机机械系统公认是国内外军用航空发动机故障率高发的系统，其失效也是导致发动机空中停车和提前换发的主导原因之一。国产军用涡扇发动机三支点球轴承已发生多起，导致多起空中停车事故征候和空中振动超限告警，严重危及了部队的作战训练安全。
轴承试验器是军用涡扇发动机轴承失效与监控技术开发的重要平台，但是国内目前航空发动机球轴承试验器均为单套轴承加装简单工艺壳体的轴承性能试验器，这种试验器从润滑、载荷与轴承振动传递路径均与发动机的实际工况相差甚远，难以支撑滑油金属屑监控和高频振动监控等发动机健康监控关键技术的应用验证需求。
考虑到三支点球轴承是国产军用涡扇发动机是发动机故障多发部件，且其对飞行安全的威胁大。只有采用发动机的实体部件进行球轴承试验器构建，才能具备模拟发动机主轴承复杂振动传递路径、支承关系和完整真实润滑系统工作状况等服役条件的能力，达到模拟试验和发动机轴承实际工作状况的最大一致性。
发明内容
以最常用的军用涡扇发动机为对象，建设带发动机实体中介机匣、中央传动、发动机附件机匣传动链路、润滑系统和冲击载荷模拟等服役环境的航空发动机球轴承试验器，实现发动机球轴承、发附机匣小轴承等典型部件的振动传递路径、支承关系、工作载荷、润滑状况、加减速等服役环境的模拟，以支撑军用航空发动机关键主轴承/传动系统故障的状态监控和失效预警技术研究，牵引发动机健康监控技术发展和落地应用，为军用航空装备使用安全保驾护航。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
(1)试验器总体结构
以最常用的军用涡扇发动机为对象进行设计，用军用涡扇发动机实体件构建球轴承试验器，由中介机匣、中央传动、发动机附件机匣等球轴承传动链，润滑系统，电主轴驱动系统，载荷环境模拟系统，电气测控系统，监控系统，支撑底座和地基等组成。
(2)驱动系统
试验机轴系由变频调速电主轴直接驱动，最高转速不低于20000r/min，支持双向旋转。
(3)静态载荷模拟系统
静态载荷模拟采用液压加载方式实现静态轴向力和径向力能力的加载，液压油经伺服比例阀进入加载活塞，将液压在和传递至轴向力和径向力加载轴承上，加载载荷由伺服比例阀-压力传感器-计算机形成闭环控制，保证的加载准确性。
(4)冲击载荷模拟系统
采用电动缸模拟发动机轴向和径向冲击载荷。
(5)试验器润滑系统
在发动机实际润滑系统基础上，进行适应性改进对试验球轴承及其支撑主体的齿轮/轴承进行润滑，并采用高精度温控仪表测量滑油供回油温度，在滑油箱通过外部布置加热电阻丝和保温层或者在滑油箱内部采用类似“热得快”等滑油加热方式对滑油加温实现发动机供、回油温度的闭环控制。采用电磁阀自动控制试验轴承润滑油量大小及通断，模拟试验球轴承、附件机匣轴承齿轮供油的富油、乏油和断油等工作状态。
(6)测控系统
采用PLC控制架构实现电主轴、供油压力/流量、滑油加热器、液压轴向与径向静态载荷、电动缸轴向与径向冲击载荷等按照试验载荷谱实现自动闭环控制。
(7)健康监控系统
包括发动机机载传感器，球轴承轴承座、中央传动机匣与发附机匣安装的高频振动传感器，试验球轴承回油管路、发附机匣回油管路安装滑油金属屑在线传感器。健康监控系统可实现对试验球轴承，央传动机匣、发附机匣传动齿轮/轴承等的状态监测和健康诊断。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用真实涡扇发动机中介机匣、中央传动与发动机附件机匣构建的球轴承试验器，能同时在轴向及径向两个维度上模拟球轴承及其传动链路的实际服役环境、工作载荷，可以支撑球轴承传动链路上轴承/齿轮、润滑系统等典型故障的失效规律研究；
(2)本发明提出的球轴承试验器保留了球轴承的传动链路，能用于支撑三代、四代、五代军用航空发动机主轴承微弱故障信号提取和监控技术的研究。
附图说明
图1(a)、图1(b)为本发明的总体方案与组成；
其中各部件如下：1、铸铁平台，2、方钢框架，3、驱动系统，4、支点机匣，5、支撑主体，6、径向加载轴承，7、轴向加载轴承，8、基础载荷施加系统，9、冲击加载传感器，10、轴向加载电动缸；
图2为试验轴系方案
其中各部件如下：11、发附机匣，12、试验轴承，6、径向加载轴承13、径向加载衬套，14、试验主轴，15、右支点衬套，16、右支点轴承，17，轴向承载体；
图3为试验器安装方案
其中各部件如下：18、支点机匣调整块，19、支点机匣固定点，20、支点机匣；
图4为轴向加载系统结构
其中各部件如下：6、径向加载轴承，8、基础载荷施加系统，9、冲击加载传感器，10、轴向加载电动缸；
图5为径向加载系统结构
其中各部件如下：21、支撑主体调整垫块，22、可移动径向加载装置，23、径向加载电动缸；24、径向冲击载荷传感器；25、径向基础载荷加载，26、支撑主体固定点，27、重载型导轨/滑块；
图6为润滑系统原理图
其中各部件如下：6.1、滑油箱；6.2、压力注油接头；6.3、燃油增压泵；6.4、发动机附件机匣；6.5、加力泵；6.6、滑油附件；6.7、主散热器；6.8、加力燃滑油散热器；6.9、供油滤；6.10、油滤压差信号器；6.11、滑油压力信号器；6.12、发动机中介机匣；6.13、试验球轴承；
图7为陪试轴承润滑系统方案
其中各部件如下：7.1、冷却器；7.2、油箱；7.3、供油泵；7.4、调压阀；7.5、供油油滤；7.6、接供油阀块；7.7、供油电机；7.8、回油电机；7.9、回油油滤；7.10、回油泵；7.11、设备回油门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器的技术方案加以说明。
(1)试验轴系与支撑底座
试验轴系由联轴器、试验主轴、试验球轴承及发动机实体支撑结构(包括中介机匣、中央传动与发动机附件机匣)等组成，如图2所示。试验轴系左支点为试验球轴承，中间为径向加载轴承，右端为轴向加载轴承(6)。试验刚度、强度及临界转速满足试验要求，工作转速范围内无共振。
支承底座采用桶式结构，通过中介机匣上发动机的主安装点安装于工作平台上，如图3所示。
(2)驱动系统
试验轴系由电主轴直接驱动，通过变频器与转速传感器通过闭环控制电主轴转速。最高转速不低于20000r/min，支持双向旋转。
(3)载荷模拟系统
载荷模拟系统用于模拟发动机稳态工作和冲击、加减速下的动态载荷情况。
轴向加载系统由静态基础载荷施加系统(8)、冲击载荷加载系统组成。静态载荷施加系统(8)采用液压加载方式，由伺服比例阀-压力传感器-计算机形成闭环控制，完成轴承基础载荷施加，轴向基础载荷1kN～60kN连续可调；动态冲击载荷采用电动缸(10)施加，电动缸(10)选取高性能动态加载缸，由动态力传感器实时检测力的大小，通过电动缸-力传感器-计算机形成力闭环控制，轴向冲击载荷1kN～50kN连续可调。结构设计上，电动缸(10)通过固定座安装在工作平台上，如图4。
径向加载系统原理与轴向加载系统相同，径向基础载荷1kN～20kN连续可调，冲击载荷1kN～20kN连续可调。结构设计上采用龙门架式结构，电动缸(10)固定在龙门架上，通过重载导轨(27)安装于试验平台上，重载导轨(27)可在试验平台上滑动，以方便试验安装及拆卸，如图5。
(4)试验润滑系统
试验润滑系统是在发动机真实润滑系统基础上改进。安装于发动机附件机匣上的滑油附件供油级从滑油箱(6.1)将滑油抽出，经燃滑油散热器、滑油滤(6.9)供到试验球轴承、中央传动与发附机匣(11)进行润滑；滑油附件(6.6)的两个回油级对中支点与发附机匣(11)回油，设计管路将其余两个回油级从滑油箱(6.1)抽油并回油至滑油箱(6.1)，如图6。
采用高精度温控仪表测量滑油供回油温度，在滑油箱通过外部布置加热电阻丝和保温层或者在滑油箱内部采用类似“热得快”等滑油加热方式对滑油加温实现发动机供、回油温度的闭环控制，具有最高250℃加温工作能力。
采用电磁阀自动控制润滑油量大小及通断，模拟试验球轴承、附件机匣轴承齿轮供油的富油、乏油和断油等工作状态。
陪试的各支点轴承的润滑采用成熟的工艺润滑系统方案实现如图7，用于为陪试轴承提供润滑，滑油供油流量0～30L/min，供油压力0～1Mpa可调，滑油回油能力不低于80L/min，滑油过滤精度根据需要选择，且要求不同规格的滤芯应能够互换。
(5)电气测控系统
电气测控系统主要由电气控制单元，主轴调速驱动单元，计算机测控系统单元，试验主体测控单元，润滑系统测控单元，试验加载系统测控单元，数据采集及处理测控单元等构成。能够通过软件对试验器电主轴、陪试轴承供回油电机、试验加载、滑油温度/压力、风冷电机等进行测控，并按照预定的试验程序自动运行，实时记录试验数据。
(6)健康监控系统
试验器上用于监控球轴承、中央传动、发附机匣等工作状态的传感器有三类：一是试验器状态传感器，包括试验轴承滑油供油压力、滑油供油温度、转子转速传感器等；二是高频振动传感器，安装在球轴承轴承座、中央传动机匣、中介机匣、发附机匣等处；三是滑油金属屑传感器，安装在试验轴承供油管路(滑油滤前)、回油管路，以及发附机匣回油管路等处。
Claims (3)
1.一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器，由军用涡扇发动机中介机匣、中央传动机匣、发动机附件机匣这些球轴承传动链，润滑系统，电主轴驱动系统，载荷环境模拟系统，电气测控系统，监控系统，支撑底座和地基组成，其特征在于用军用涡扇发动机实体件构建球轴承试验器，用液压加载模拟发动机静态载荷，用电缸加载模拟冲击载荷，试验器主体包括试验器轴系与支撑底座，试验器轴系由试验球轴承支撑的发动机中介机匣与发动机附件机匣实体件、工艺主轴、联轴器组成；支承底座采用桶式结构，试验器轴系由变频调速电主轴直接驱动，最高转速不低于20000r/min，支持双向旋转，采用液压加载系统实现静态轴向力和静态径向力的加载，液压油经伺服比例阀进入加载活塞，将液压加载载荷传递至轴向力和径向力加载轴承上，液压加载载荷由伺服比例阀-压力传感器-计算机形成闭环控制，保证的加载准确性，采用电动缸模拟发动机轴向和径向冲击载荷，将所述冲击载荷加载传递至轴向力和径向力加载轴承上，试验球轴承及支撑主体的润滑环境模拟通过发动机实际的润滑系统实现，并采用高精度温控仪表测量滑油供回油温度，在滑油箱通过外部布置加热电阻丝和保温层或者在滑油箱内部采用“热得快”的滑油加热方式对滑油加温实现发动机供、回油温度的闭环控制，能够自动控制润滑油量大小及通断，模拟试验球轴承、发动机附件机匣轴承齿轮供油的富油、乏油和断油的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器，其特征在于电气测控系统采用PLC控制架构使得电主轴、供油压力/流量、滑油加热器、液压轴向与径向静态载荷、电动缸轴向与径向冲击载荷按照试验载荷谱实现自动闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种带服役环境与冲击载荷模拟的军用涡扇发动机球轴承试验器，其特征在于所述监控系统还包括健康监控系统，包括发动机机载传感器，球轴承轴承座、中央传动机匣与发动机附件机匣安装的高频振动传感器，试验球轴承回油管路、发动机附件机匣回油管路安装的滑油金属屑在线传感器，健康监控系统可实现对试验球轴承、中央传动机匣、发动机附件机匣传动齿轮/轴承的状态监测和健康诊断。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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