一种航空发动机主轴承寿命分析载荷谱编制方法与流程

[0001]
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种航空发动机主轴承寿命分析载荷谱编制方法。


背景技术：

[0002]
轴承寿命分析载荷谱编制是将由发动机整机支点载荷工况输入转化为轴承寿命计算的载荷输入条件，其核心是确定用于轴承分析的典型的转速、载荷工况及其工作时间占比，编制原则是在基于发动机工况条件的基础上进行适当调整，将大量载荷工况点按照一定原则精简，且保证精简后的载荷谱作为输入条件计算的轴承设计寿命具有一定安全裕度，从而保证轴承设计的可靠性。
[0003]
发动机整机工况点多，直接用于轴承寿命分析，工作量过大，计算效率低；以往依照设计经验来简化合成分析载荷谱，缺少设计原则，以此作为轴承寿命分析，计算准确度难以保证。


技术实现要素：

[0004]
本申请的目的是提供了一种航空发动机主轴承寿命分析载荷谱编制方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
[0005]
本申请的技术方案是：一种航空发动机主轴承寿命分析载荷谱编制方法，包括：
[0006]
s1、确定典型工况点，所述典型工况点的确定过程包括：
[0007]
s11、确定主轴承寿命评估系数；
[0008]
s12、以发动机总体性能特点进行初步分类，从每个初步分类中选取2～3个备选典型工况点；其中，备选典型工况点选取方法：
[0009]
s121、每个初步分类中选取时间占比最高的工作点作为一个备选典型状态点a1；
[0010]
s122、确定当前初步分类中的时间占平均值，在高于平均值的工作点中选取寿命评估系数最大的作为一个备选典型状态点a2；
[0011]
s123、选取当前初步分类中寿命评估系数最大的工作点作为一个备选典型状态点a3；
[0012]
s124、若当前初步分类中发动机工作点不足3个，则该当前初步分类中所有工作点都作为备选典型状态点；
[0013]
s2、将分类中各工作点的时间占比进行聚类合并，从而确定备选典型状态点在轴承寿命载荷谱中工作时间分配，包括：
[0014]
s21、对寿命评估系数值不高于a1状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占比t1，将其作为a1状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0015]
s22、对寿命评估系数值高于a1状态点但不高于a2状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占比t2，将其作为a2状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0016]
s23、对寿命评估系数值高于a2状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占
比t3，将其作为a3状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0017]
s24、汇总各初步分类中所有备选典型工况点，提取其载荷、转速以及时间分配，得到轴承寿命载荷谱。
[0018]
进一步的，在确定典型工况点之前，还包括：
[0019]
确定发动机工况的输入文件，所述输入文件包括：
[0020]
发动机寿命工作点工况及时间分配，轴承所在支点载荷计算结果，以及对于角接触球轴承，还需各工况下轴承所在转子的气动轴向力计算结果。
[0021]
进一步的，多个所述典型工况点的数量不少于10个。
[0022]
进一步的，所述寿命评估系数的计算方法为：
[0023]
q＝n
·
p
n
[0024]
式中：
[0025]
q——轴承寿命评估系数；
[0026]
n——轴承工作转速；
[0027]
p——轴承当量动载荷；
[0028]
n——常数。
[0029]
进一步的，所述常数n的取值为：对圆柱滚子轴承取值为10/3，对角接触球轴承取值为3。
[0030]
进一步的，所述轴承当量动载荷的计算方法为：
[0031]
p＝x
·
f
r
+y
·
f
a
[0032]
式中：
[0033]
p——轴承当量动载荷；
[0034]
x、y——无量纲系数；
[0035]
f
r
——径向载荷，即主轴承所在支点的支点载荷计算结果；
[0036]
f
a
——轴向载荷，对于圆柱滚子轴承，取值为0；对于角接触球轴承，取值为主轴承所在转子的轴向力计算结果。
[0037]
本申请所提出的根据发动机整机工况来编制用于轴承寿命分析的载荷谱的方法，通过简化载荷工况可以提高轴承寿命分析效率，且其不同于以往依照设计经验来简化合成分析载荷谱，根据本方法编制的载荷谱作为轴承寿命分析输入条件进行设计具有合理的安全裕度。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0039]
图1为本申请的载荷谱编制方法流程图。
具体实施方式
[0040]
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0041]
为了克服现有技术中载荷谱编制存在的问题，本申请提出了一种根据发动机整机
工况来编制用于轴承寿命分析的载荷谱编制方法，通过简化载荷工况提高轴承寿命分析效率，且根据本方法编制的载荷谱作为轴承寿命分析输入条件进行设计具有合理的安全裕度。
[0042]
如图1所示，本申请提供的航空发动机主轴承寿命分析载荷谱编制方法，包括如下步骤：
[0043]
s1、确定发动机工况输入文件。
[0044]
为进行航空发动机主轴承寿命载荷谱，所需输入文件如下：
[0045]
a)发动机寿命工作点工况及时间分配；
[0046]
b)轴承所在支点载荷计算结果；
[0047]
c)对于角接触球轴承，还需各工况下轴承所在转子的气动轴向力计算结果。
[0048]
综合上述输入条件，最终得到发动机工况条件，例如表1所示为本申请一实施例所提供的输入数据或结果。
[0049]
表1输入表
[0050][0051][0052]
s2、典型工况选取
[0053]
当发动机寿命工作点总数较少时(暂定低于10个)，则所有寿命工作点都可作为轴承载荷谱工作点，提取所有工作点的载荷、转速和工作时间占比即可得到轴承寿命载荷谱。
[0054]
当发动机寿命工作点总数高于10时，则需选取其中典型的工作状态用于轴承寿命计算，选取方法如下：
[0055]
首先，对发动机各寿命工作点下主轴承工作的当量动载荷进行计算，计算公式如下：p＝x
·
f
r
+y
·
f
a
[0056]
式中：
[0057]
p——轴承当量动载荷，单位为牛顿；
[0058]
x、y——无量纲系数，取值确定方法见gb/t6391-2010《滚动轴承轴承动载荷和额定寿命》；
[0059]
f
r
——主轴承所在支点的支点载荷计算结果，单位为n，对应表1中“径向载荷”列数据；
[0060]
f
a
——对于圆柱滚子轴承，取值为0；对于角接触球轴承，取值为主轴承所在转子的轴向力计算结果，单位为n，对应表1中“轴向载荷”列数据。
[0061]
对发动机各寿命工作点下主轴承的寿命评估系数进行计算，计算公式如下：q＝n
·
p
n
[0062]
式中：
[0063]
q——轴承寿命评估系数，单位10
17
r/min.n3；
[0064]
n——轴承工作转速，单位r/min，对应表1中“工作转速”列数据；
[0065]
p——计算得到轴承当量动载荷，单位为n；
[0066]
n——常数，对圆柱滚子轴承取值为10/3，对角接触球轴承取值为3。
[0067]
以表1所示实施例中的数据计算采用上式计算出各工况下的寿命评估系数，见表2。
[0068]
表2各工况下的寿命评估系数
[0069][0070][0071]
依照发动机主要工作状态对各寿命工作点进行初步分类，分类可参照总体性能的常用分类。以表1为例，可以以作战、巡航、慢车等类别作为初步分类。
[0072]
在各分类中选取2～3个发动机工作点作为备选典型状态点，选取方法如下：
[0073]
1)在每个初步分类中选取此分类中时间占比最高的工作点作为一个备选典型状态点，后文描述中用a1表示此工作状态点。
[0074]
例如在表2中“巡航”分类中，时间占比最高的工作点为工况27(即巡航12)，则以此工作点作为选取的备选典型状态点a1。
[0075]
2)在每个初步分类中选取此分类中时间占比高于平均值的几个或多个工作点，之后在高于平均值的多个工作点中选取寿命评估系数最大的作为一个备选典型状态点，后文描述中用a2表示此工作状态点。
[0076]
例如在表2中“巡航”分类时间占比的平均值为5.29％，高于该平均值的状态点有工况18(巡航3)、工况21(巡航6)和工况27(巡航12)，选取其中寿命评估系数最高的点即为工况18(巡航3)，因此工作18即为确定的备选典型状态点a2。
[0077]
3)在每个初步分类中选取寿命评估系数q值最大的工作点作为一个备选典型状态点，后文描述中以a3状态点表示。
[0078]
例如在表2的“巡航”分类中，寿命评估系数最高的点为工况16(巡航1)，则工况16即为选取的备选典型状态点a3。
[0079]
4)在每个初步分类中，若发动机工作点不足3个时，则该分类中所有工作点都作为备选典型状态点。
[0080]
例如在表1和表2中“慢车”分类下只有1个状态点，则可直接将其作为备选典型状态点。
[0081]
s3、载荷谱编制
[0082]
将每个初步分类中各工作点的时间占比进行聚类合并，从而确定备选典型状态点在轴承寿命载荷谱中工作时间分配，具体过程如下：
[0083]
a)对寿命评估系数q值不高于a1状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占比t1，将其作为a1状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0084]
b)对寿命评估系数q值高于a1状态点但不高于a2状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占比t2，将其作为a2状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0085]
c)对寿命评估系数q值高于a2状态点的所有工作点时间占比求和后得到时间占比t3，将其作为a3状态点在轴承寿命载荷谱中的时间分配；
[0086]
以表2中的“巡航”分类为例，合并方式见表3。
[0087]
表3载荷谱编制表
[0088][0089]
汇总各初步分类中所有备选典型工况点，提取其载荷、转速以及时间分配，可以得到轴承寿命载荷谱，如表4所示。
[0090]
表4最终载荷谱
[0091][0092]
在本申请另一些实施例中，可以将转速和寿命评估系数q值都比较接近的备选典型状态点进行合并，合并时保留寿命评估系数q值较大的工况点，合并后的状态点的时间分配为所合并的所有状态时间占比之和。
[0093]
本申请所提出的根据发动机整机工况来编制用于轴承寿命分析的载荷谱的方法，通过简化载荷工况可以提高轴承寿命分析效率，且其不同于以往依照设计经验来简化合成分析载荷谱，根据本方法编制的载荷谱作为轴承寿命分析输入条件进行设计具有合理的安全裕度。
[0094]
本申请的方法可应用于在研发动机、现役发动机中，为先进航空发动机轴向力提供高可靠性、高精度的测量方法。
[0095]
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。