一种航空发动机中介轴承的减载设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空发动机结构动力学设计领域，具体是一种航空发动机中介轴承的 减载方法。
【背景技术】
[0002] 中介轴承是双转子航空发动机中关键的承力和传动部件。其外环安装在高压满轮 转子上，内环安装在低压满轮转子上；或者相反，外环安装在低压满轮转子上，内环安装在 高压满轮转子上。因此，中介轴承内外环同时旋转。中介轴承工作于高溫、交变载荷、不易 润滑的环境中，容易发生故障，一旦发生故障将严重威胁发动机的安全运行，而降低中介轴 承的动载荷是减小故障发生率的有效途径。
[0003] 对于图1中的中介轴承内环上微损伤点P，它每接触一个滚子，受到一次冲击，与Z 个滚子的冲击频率为fp。图2是滚动体对内环的冲击力示意图。
[0004] W内环安装在低压转子上，外环安装在高压转子上，两转子同向旋转方案为例，对 于Z个滚动体的中介轴承，滚动体同内环上的点P、外环上点Q接触的频率分别为：
[0007]式中：
[000引 0H、0L高压转子、低压转子的旋转角速度。
[000引 d 滚动体直径；
[0010] Dm轴承节径；
[0011] a 接触角，指接触面中屯、与滚动体中屯、连线和轴承径向平面之间的夹角。
[0012] 从上式可W看出：对于单转子系统，由于外环转速〇H=〇,且一般不为整 数，故轴承内环特征频率fp、外环特征频率不可能和转子整倍频周期激振力的频率相等。 但对于具有中介轴承的双转子发动机，按照发动机性能要求，高压转速Qh和低压转速QL 在较大范围内变化，完全有可能使中介轴承内环特征频率或外环特征频率与转子激振力频 率相等或相近。
[0013] 在双转子发动机工作过程中，作用在高压转子的周期激振力或低压转子的周期激 振力是中介轴承所承受动载荷的主要来源。当轴承滚道上某一微损伤点P与轴承滚动体接 触时，同时也受到旋转激振力的冲击作用，P点的动载荷即为滚动体冲击力与旋转激振力的 叠加。
[0014] 图3是作用在转子上的激振力Fimw在滚道上形成的动载荷。滚子IV、滚子m和滚 子II依次滚过内环上点P时，P点受到的载荷变化如图所示。其中，图3(a)是激振力频率 和内环特征频率不相等条件下的动载荷，图3(b)是激振力频率和内环特征频率相等条件 下的动载荷。图中Tp是旋转激振力的周期，IP是滚子对内环冲击力的周期。
[0015] 可W看出，滚道承受的载荷由两部分组成：滚动体冲击力与旋转激振力。旋转激振 力频率和内环特征频率不相等时，P点受到的冲击力不会总为滚动体冲击力与旋转激振力 力幅之和；但当旋转激振力与滚动体冲击力同频同相时，点P受到的冲击力为滚动体冲击 力与旋转激振力力幅之和，且持续作用于P点。运种现象称之为同步冲击。在同步冲击作 用下，中介轴承受到的动载荷增大，易于造成滚道的局部损伤，降低中介轴承的寿命。
[0016] 上述W内环为例，说明了同步冲击现象。当旋转激振力频率和外环特征频率相等 时，也能得到类似的结果，外环上点Q将会受到同步冲击。
[0017] 对于双转子发动机，风扇叶片将产生周期性的气体激振力，其频率是风扇叶片数 目整倍数与低压转速勺乘积。发动机高/低压转子转速比按照发动机性能控制率变化， 在一定范围内会使中介轴承内环或外环特征倍频等于或者接近风扇叶片数目，风扇叶片就 会产生频率与中介轴承内环或外环特征频率相等的旋转激振力，该力与滚动体的冲击力叠 加，就会造成对中介轴承的同步冲击。
[0018] 为了便于减载设计，将中介轴承内环的特征频率和外环的特征频率改写成低压转 速倍数的形式，即内、外环特征倍频数。式（1)和式（2)变为：
[002。 式做和（4)中，包含高/低压转子转速比^I高低压转速比变化时，内环特征 倍频数Xp和外环特征倍频数Xg随之变化。
[0022] W往设计中，一般不考虑转子激振力对中介轴承所承受动载荷的影响。但对于双 转子发动机，若风扇叶片数目等于或者接近中介轴承内环或外环特征倍频时，风扇叶片就 会产生频率与中介轴承内环或外环特征频率相等的旋转激振力。此时，轴承滚道承受的冲 击力为滚动体冲击力与旋转激振力的力幅之和。作用在微损伤点上的冲击力增大，且持续 受到冲击力的作用，使得损伤加剧，由此降低中介轴承的寿命。针对运一问题，本发明提出 一种航空发动机中介轴承减载设计的方法。
[0023] 在《航空动力学报》ISSN: 1000-8055, 2013年第28卷第12期刊登的《航空发动机 中介轴承的故障特征与诊断方法》一文，建立了诊断航空发动机中介轴承故障的方法。建立 了诊断航空发动机中介轴承故障的方法。利用发动机高、低压转差作为触发信号，对发动机 振动信号进行等转差周期采集，并在转差域对振动信号进行频谱和包络谱分析。利用中介 轴承故障响应在转差域的"恒间距"特征和"恒频"特征，辨识中介轴承局部故障。但其不 设及如何减小中介轴承动载荷的设计方法。
[0024] 中国发明专利CN200910109202. 9, 一种滚动轴承寿命试验方法，发明了一种滚动 轴承老化试验的方法，在等效应力水平下，实施滚动轴承寿命及可靠性的强化试验和快速 评价。但未给出试验轴承部件应力的特征及减载设计方法。
[00巧]中国发明专利CN201410146849.X，一种航空发动机转子结构动力学的设计方法， 通过优化转子和支承的参数，使得转子系统的热模态避开支承绝对刚性时转子的模态，使 转子系统在热模态下满足振动标准的要求。其核屯、是保证转子在发动机整个工作转速范围 内，均可平稳工作。但优化设计对象为转子系统，不设及中介轴承。
[0026] 俄罗斯专利RU2110781 (C1)"MET册DOFFORECASTINGOFMECHANICALCONDITION OFINTERSHAFTANTIFRICTIONBEARINGINTWIN-SHAFTTURBOMACHI肥"介绍了一种在双转 子发动机中介轴承上安装传感器，并根据振动信号来判断中介轴承状态的方法。但其不设 及如何减小中介轴承动载荷的设计方法。
[0027] 美国专利20120070278"GASTURBI肥ENGI肥邸ARINGARRANGEMENT",介绍了一 种使用中介轴承的反向旋转转子结构，一个转子系统具有转子和静子结构，另一个转子系 统只有转动部分。力图通过结构设计控制中介轴承的保持架转速，降低中介轴承的载荷，增 加轴承的使用寿命。其只能针对两转子反向旋转转子结构，不能适用于同向旋转的情况。
【发明内容】
[002引为克服现有技术中航空发动机中介轴承在运转过程中存在同步冲击的问题，W降 低中介轴承故障率，本发明提出了一种航空发动机中介轴承的减载设计方法。
[0029] 本发明的具体过程是：
[0030] 步骤一、确定双转子发动机中高压转子和低压转子的转速比。
[0031] 步骤二、确定中介轴承内环特征频率和外环特征频率。
[003引步骤S、确定中介轴承的特征倍频。
[0033] 步骤四、绘制同步冲击校核图。
[0034] 所述同步冲击校核图是将风扇叶片数目与中介轴承的内环特征倍频和外环特征 倍频之间的关系通过图的方式表现出来，为校核同步冲击提供依据，该图称为同步冲击校 核图。
[0035] 在所述同步冲击校核图中，当中介轴承滚动体对内环滚道的冲击力频率与风扇叶 片激振力频率相近时，二者叠加作用于内环滚道；当中介轴承滚动体对外环滚道的冲击力 频率与风扇叶片激振力频率相近时，二者叠加作用于外环滚道。
[0036] 绘制所述同步冲击校核图的具体过程是：
[0037] I将内环特征