轴承支座航空发动机课堂：拉杆式，折返式，带挤压油膜的弹性支座介绍|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

航空发动机课堂：拉杆式、折返式、带挤压油膜的弹性支座介绍

拉杆式弹性支座

斯贝发动机低压涡轮后轴承采用的弹性支座是典型的拉杆式弹性支座,如图60中 F及图68(a)所示。其结构做成后端(即右端)有一向内翻边的安装边,用以安装轴承;轴承的外环做成加长并带前、后安装边,后安装边与支座的右侧安装边用螺钉连接,轴承外环的前安装边

用以固定封严件。支座的前安装边(即左端)向外翻边用以与机匣相连。在两个安装边之间均布有30根直径为3.0mm,长度为32.8mm的钢杆,杆两端分别插入弹性支座前后安装边的钻孔内,并用钎焊焊接成一体。在滚棒轴承的外端设有限幅环,限幅间隙为0.355~0.406mm。

在这种拉杆式弹性支座中,如图68(b)所示,可用改变拉杆直径d、拉杆长度l,及杆

数来改变其刚性。

Tay发动机的低压涡轮后轴承也采用了拉杆式弹性支座,其结构基本与斯贝的相似,如图69所示。

GE 公司的

E 3 发动机的核心机中,两个轴承均采用了拉杆式的弹性支座,图70、图71分别示出其前支座(滚珠轴承)与后支座(滚棒轴承)的结构。

E 3 核心机前支点的弹性支座中,有34 根加工成双锥型(前、后直径大、中间直径小)的拉杆,其总弹性系数为525.4kN/cm 。拉杆做成锥形的是为了将高应力区从应力集中系数较高的两端移到杆的中间。

限幅环的限幅间隙为0.506mm,在拉杆挠曲为0.506mm 时杆条中的最大应力低于拉杆材料 Margge250的持久极限值。

图69、Tay低压涡轮后轴承弹性支座

如图70所示,在弹性支座外还做有具有5层薄环的挤压油膜。五层薄环间以及薄环与机匣、薄环与弹性支座间均留有间隙,总间隙为1.173~1.326mm,中间通以滑油。

E 3 核心机后支点的弹性支座类似于其前支点的弹性支座,也是拉杆式的如图71所示,共有34根锥形杆条,限幅环的限幅间隙也是0.506mm,但它没有采用挤压油膜。

4.2.4 折返式拉杆弹性支座

在20世纪80年代发展的一些发动机中,广泛地采用了折返式的拉杆弹性支座,它的设计思想类似前述的J100发动机后轴承弹性支座(图65)的设计思想,即采用弹性支座后不增加发动机长度。

由前述的各种鼠笼式或拉杆式弹性支座看,弹性支座安装边(也即固定轴承的机匣)与轴承间有一较长的距离。在发动机转子长度一定时,发动机长度势必加长,这也是为什么20世纪70年代发展的发动机不采用弹性支座的原因之一。采用折返式弹性支座时,固定轴承的机匣(也即弹性支座安装边处)与轴承基本在同一轴线位置上。这样,不仅不会增加发动机长度,而且也便于对已投入使用的发动机在改型时能方便地增装弹性支座。

图72中示出了 V2500等发动机高压压气机前支点采用的弹性支座示意图,它是典型的折返式拉杆弹性支座,弹性支座是由向后伸的承力锥体5、多根长螺杆4与安装轴承的轴承座3组成。

螺杆4在后端插焊于承力锥体中,前端用螺帽将轴承座3拧紧在一起,组成一整体的弹性支座,用承力锥体的前安装边固定于机匣上,机匣的内圆作为限幅环,中间通以滑油形成挤压油膜,为避免滑油大量外泄,轴承座两侧均装有封严涨圈。因此,这种支座是带挤压油膜的折返式拉杆弹性支座,类似这种结构已用于PW2037、PW4000和F100 PW 229等发动机中。

图72、带挤压油膜的折返式弹性支座示意图

图59为PW2037发动机高压压气机前支点的带挤压油膜的折返式拉杆弹性支座,它的结构基本同于 V2500。

PW2037发动机风扇后的滚珠轴承,在设计中采用了通常的刚性支座,如图73(a)所示,但在使用中,特别是在使用时间很长后,低压转子的振动值会增加,为此希望在该支点处采用弹性支座。在改型中,发动机各部件、组件的沿长度方向的位置不能动,这时,采用折返式的弹性支座就较容易地实现改型,图73(b)示出了改装弹性支座后的结构。

图73、 PW2037风扇后(1号)支点

4.3 带挤压油膜的弹性支座

在大多数弹性支座中,将限幅环的限幅间隙中通以滑油并在两端加以封严形成挤压油膜,这样,使限幅环起到了两个作用,使发动机振动可以降低更多。这种带挤压油膜的弹性支座不仅可以改变转子支承刚性,使转子变为柔性转子,而且还可利用挤压油膜来减小外传的振动,因而被大多数发动机采用。

由现有资料看,只有罗·罗公司研制的斯贝发动机、Tay发动机中采用的弹性支座没有加挤压油膜(每型发动机均有两个支点采用弹性支座)。

其他一些发动机,例如J69、J100、PW2037、PW4000、V2500、GE90、T65和 T72等发动机中,TM333、TM319等燃气发生器转子中,RTM322、T700和 CT7等发动机的燃气发生器、动力涡轮中均采用了带挤压油膜的弹性支座。图74、图75和图76分别示出了 CT79涡桨发动机燃气发生器转子前支点(轴流压气机前)、后支点(离心压气机与涡轮间)和燃气发生器前支点(图34中的5号支点)所采用的带挤压油膜的弹性支座的结构图。

4.4 滚珠轴承与滚棒轴承并列作为一个支点

发动机转子的止推支点(即承受转子轴向负荷的支点)处一般均采用一个滚珠轴承或两个并列的滚珠轴承(当转子的轴向负荷较大时),该滚珠轴承除受轴向负荷外,还要承受径向力,与单纯作为传递径向力的支点(滚棒轴承)相比,它的工作条件恶劣得多。

因此,在设计时,需将轴承的直径系列选得较重,即在同一个转子上,滚棒轴承的直径系列如选用特轻系列,则滚珠轴承需用轻系列;如滚棒轴承用超轻系列,则滚珠轴承需用特轻系列,以加大滚珠轴承的尺寸,增大它承受载荷的能力,但即使如此,滚珠轴承仍然易于出现故障。

图76 、CT7 9动力涡轮转子前支点带挤压油膜的弹性支座

例如 CFM56 3发动机在1989年中发生过32起空中停车事件,其中由于高压转子滚珠轴承出现故障引起的就有11起,占总的空中停车原因的34%。

又如CFM56 3在1986年1月到1992 年12 月的6 年时间内,由于该轴承损坏而引起的空中停车事件占各种原因引起空停的25%,在各种原因中名列首位。

为此,在它的改型CFM565中,在该轴承后侧增加一滚棒轴承如图77所示,用滚棒轴承来承受径向负荷,滚珠轴承仅承受轴向载荷。因此可将原来的滚珠轴承负荷大大降低,改善了它的工作条件。

为了能确保在滚珠轴承与滚棒轴承并列时,滚珠轴承只承受轴向负荷,一定要采取措施防止转子的径向负荷通过它传出,一般可以采用将滚珠轴承外环与机匣配合

处选用较大的间隙配合,而滚棒轴承则用紧度与机匣配合;或则将滚珠轴承支承于刚性小的弹性支座中,滚棒轴承支承于刚性大的支座中,在CFM56 5中即采用了后一种措施,如图77所示。

在CF6 80C2发动机的高压压气机后止推支点处,也采用了滚珠轴承与滚棒轴承并列的结构,如图78所示,其滚珠轴承也是支承于弹性支座的。

GE90发动机高压压气机前支点(参见图52)也采用了滚珠轴承与滚棒轴承并列的结构,且二者均支承于弹性支座中,但滚珠轴承用弹性支座刚性较滚棒轴承用的弹性支座的刚性小。

滚珠、滚棒二轴承并列使用时,还可使工作时转子与机匣间的间隙特别是叶尖间隙较均匀,使发动机性能较好。这是因为当单独采用滚珠轴承作为一个支点时,滚珠轴承有点像个万向接头,因而可能会使转子作自转转动外还会有一个绕中心旋转的回转运动,使叶尖间隙沿圆周不均匀,当增加一个滚棒轴承后,会限制这种回转运动。

机械设计之设计中如何取基准

一、基准的定义

首先我们要清楚关于基准的一些定义，根据国标GB/T1182、GB/T4249-1996、GB/T16671-1996中的定义。

基准要素：是指用来确定被测要素方向和位置的要素，在零件上用来建立基准并实际起基准作用的实际要素如一条边、一个表面或一个孔等。

基准：是用来确定生产对象上几何关系所依据的点、线、面，也就是说基准就是起始的点、线、面。

二、基准的标注方法

三、基准的应用基准是形位公差中的一个要素，如果没有基准这个要素，形位公差也就无从谈起，所以在谈基准前，我们要了解什么是形位公差。

形位公差：任何零件都是由点、线、面等要素构成，在零件的机械加工过程中，零件的实际要素总是会和理想要素存在一定的误差，而这些误差主要分为形状误差和位置误差，为了保证零件的误差在我们设计的可控范围内，我们在设计之初就会对零件标注适当的形状公差和位置公差，它们统称为形位公差。

在设计过程中，我们会根据零件的功能和作用来标注相应的形位公差，这些形位公差要在零件加工质量上保证零件装配完毕后能够达到我们预期的各种功能和精度要求，如何定义这些形位公差就是我们通常所说的设计能力，你的设计能力的高低标志之一就在于你如何把握这些形位公差的标注和保证。

现在我们可以来回答一个问题了，为什么要基准，那是因为如果没有基准，形位公差根本就无法标注，基准是形位公差的一个基础和必要要素。

如何来定义一个零件的基准，通俗一点讲，就是如何选取一个基准面，我们主要从两个方面的考虑（设计经验分享）。

1、从装配要求的角度来考虑，你所设计的这个零件在整机装配过程中是一个什么样的结构状态，它在整机结构中起一个什么样的作用，如果要达到既定的功能要求，你需要这个零件保证什么样的加工精度，装配过程中，这个零件的安装基准是哪一个？装配流程的检测过程中，哪个位置作为基准可以让我们更好、更快的对这个零件进行装配，如果有加工不合格的形象，选取的基准面是否便于零件的二次装夹和加工，这些都是问题都是我们在设计之初就要问自己的，在放置基准面的时候就要问自己的。

2、从机械加工的角度来考虑，对加工零件选取的基准面是否利于划线和粗加工，通常我们的加工顺序就是先加工基准面，再利用基准面进行定位来加工其它的位置，所以基准面的选取一定要考虑，当一个零件还是毛坯状态的时候，在外形结构上是不是适合先作为基准面来加工，基准面加工好了之后，是不是适合用它来作为基准面定位加工别的位置，一个要考虑定位和夹紧方式，一个要考虑加工方式（如用什么设备来加工，用什么刀具来加工）,还要考虑尽可能的减少零件装夹的次数，如果零件在加工过程中仿佛的进行装夹，那这个零件的加工质量也是堪忧的，最佳的加工就是一次装夹加工成型，这样的误差是最小的，这时候零件的误差就基本上等于加工设备的误差，如果仿佛装夹的话，那装夹的误差就要比加工设备的误差大得多，甚至会因为操作者的疏忽而导致零件的加工报废，所以在选取基准的时候，要充分的考虑加工基准是否合适。

所以一个好的设计工程师，他不仅要了解零件的结构设计，还要充分的熟悉加工工艺，熟悉装配工艺，熟悉加工设备的加工能力，熟悉如何控制成本等等，这是一个对个人综合素质要求相对较高的职位，这也是为什么要成为一个真正的设计工程师需要多年积累的原因所在，因为这根本就不是涉及一个岗位的事情，而是牵涉到一个产业链的多个环节的事情。

下面，我们来用一张图纸做一个基准面选取的说明。

上图是一个丝杆轴承座，就是固定丝杆一端的轴承支座，我们可以通过这个零件来说一下基准面的选取方法。

1、我们先要了解这个轴承座的装配位置和功能要求，这个轴承座是用来固定和支撑丝杆的，而丝杆是设备的一套传动系统中的主要组成部分，这个部分决定设备传动系统的可靠性和传动精度，所以这个部位的安装是一个关键性的安装。再来看这个轴承座的安装要求，主要的装配结构是丝杆装在轴承上，轴承装在轴承座里面，轴承座装在支承大件上，那就意味着，轴承孔可轴承座的固定面（与支承大件的结合面）是需要有较高的加工精度要求才能保证我们最后的丝杆传动系统的装配精度，所以我们就针对轴承孔和固定面来标注行为公差。

2、从零件的结构来分析，我们可以看到，这个零件需要用的加工设备为铣床，镗床或者加工中心就可以基本完成。包括的加工工序是铣面、镗孔，钻孔、攻丝等工序，如果有一台立式加工中心，完全可以做好整个零件，但是不能在一次装夹的情况下来完成整个零件，会牵涉到多次装夹。

3、我们首先选取轴承座与支承大件的结合面来做基准，因为这个基准便于加工的划线和基准面的初加工，同时这个也是我们装配过程中的基准面，所以以这个面为基准是非常合适的，那我们就把基准面A放在这个面上，同时我们对这个基准面有一个平面度要求0.015，因为作为别的要素的加工基准，基准面也得具有一定的形状公差要求才行，否则是无法保证的，然后我们根据装配要求，来定义轴承孔47mm相对这个面的平行度要求为0.02（为什么是这么多，以后的文章再说，今天主要说基准面的选取），然后我们更具装配要求，再以轴承孔47mm的轴线为基准B来定义轴承端面对轴线的垂直度要求为0.02，因为装配过程中，轴承是需要贴死这个端面的，当拉紧丝杆的时候，如果这个面不与轴承孔轴线垂直，就有可能让丝杆处于一个扭曲的状态，不利于丝杆的高效率、高精度传动。

4、从机械加工的角度来解释，把基准面A加工好后，以基准面A为定位面装夹轴承座，然后用镗床镗孔47mm，保证孔与基准面的平行度，然后直接用镗刀刮轴承端面，保证轴承端面相对于基准B的垂直度，然后在刮外端面相对于A的垂直度，这样主要的形位公差就可以一次装夹完成加工，这样的加工是误差最小的，因为没有装夹误差在里面，零件加工的误差通常只来自与加工设备的误差和刀具的误差以及加工变形等，而这些误差是相对较小的，比起装夹的误差来，这些误差都更为可控。

以上就是基准面的选取过程和设计注意事项，虽然有的地方说起来很简单，或者有一笔带过的省略，但是作为一个设计工程师，需要打下一个坚实的基础才能更好的做好的设计，这也就是为什么刚毕业的大学生一定要到机械加工车间和装配车间去的原因所在，去了解那些细节，去积累那些基础知识，然后才能成就你的设计梦想，因为这是你们绕不过去的坎。

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机械设计之设计中如何取基准