汪元林，翟歡樂,2

（1.江蘇航空職業(yè)技術學院，江蘇鎮(zhèn)江 212134；2.江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著航空發(fā)動機技術的發(fā)展，發(fā)動機性能不斷提高。發(fā)動機渦輪后溫度升高，轉速增加，導致齒輪箱傳動系統(tǒng)的工作強度越來越大，部件轉速越來越高。齒輪箱系統(tǒng)中齒輪軸承部件摩擦發(fā)熱越來越嚴重，需要加強潤滑冷卻。為了提高潤滑冷卻效率，根據(jù)各個部件發(fā)熱情況進行滑油流量分配，齒輪箱中部件發(fā)熱的評估計算至關重要。

航空發(fā)動機齒輪箱系統(tǒng)中旋轉部件包括軸承和齒輪，在高速重載的環(huán)境下工作，不可避免地會產生大量的摩擦熱，降低了運行效率，也對其可靠性產生了影響。航空發(fā)動機中齒輪類型主要分為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、直齒錐齒輪以及弧齒錐齒輪[1]。

國外針對傳動系統(tǒng)的部件發(fā)熱進行了試驗研究，得到了大量的試驗數(shù)據(jù)，在此基礎上針對部件發(fā)熱建立了可靠的理論分析方法。如Harris T A[2]針對軸承發(fā)熱總結了軸承功率損失的計算模型，對功率損失進行了推導。SSeetharaman等[3]針對齒輪功率損失進行了數(shù)據(jù)對比，分析了齒輪發(fā)熱隨載荷的變化情況。

國內研究學者針對傳動系統(tǒng)部件摩擦發(fā)熱的研究起步較晚，但是經過經驗的累積，已經取得了一定的成果。如黃智勇、陳曉玲[4]總結了高速列車傳動齒輪箱功率損失的計算方法，并針對實際高速列車齒輪箱進行了驗算。吳魯紀等[5]在研究了高速齒輪箱功率損失計算方法的基礎上，總結了提高高速輕載齒輪箱傳動效率的有效途徑。這些研究為進一步分析傳動系統(tǒng)發(fā)熱提供了理論基礎。

1 附件系統(tǒng)部件受力與發(fā)熱分析

發(fā)動機附件系統(tǒng)主要包括轉軸、傳動齒輪副、支承軸承、齒輪軸承套件等，部件多、運動特性復雜。齒輪箱中通過安裝齒輪副、支承軸承、齒輪軸承一體化的結構件等來傳輸運動方式、傳遞功率和轉速。由于這些附件轉速高、承載大，所以一個運動周期內摩擦劇烈，一個運動循環(huán)下來，摩擦產生的熱量非常大，需要合理地潤滑和冷卻，但是冷卻冗余度過高會對成本產生影響，所以需要進行發(fā)熱量計算，并在此基礎上進行合理的潤滑和冷卻設計。

經過研究，齒輪箱系統(tǒng)中齒輪與齒輪相互嚙合形成齒輪副，齒輪副起傳動作用。軸承支撐傳動軸，其都在高速重載的情況下運行，會產生發(fā)熱。同時這些熱量是附屬產物，對整個附件系統(tǒng)的功率起到損耗作用。對于附件系統(tǒng)來說，這個特性會導致其效率下降，從而產生額外的功率消耗?；谶@個特性，可以采用功率損失模型[6]計算附件系統(tǒng)部件發(fā)熱量。

部件功率損失組成如圖1所示。齒輪風阻損失受轉速影響較大，軸承摩擦損失受軸承力影響較大，而齒輪摩擦損失與兩個參數(shù)關系都很密切。每一項運動摩擦都是發(fā)熱來源，通過將附件系統(tǒng)各個部件的運動聯(lián)系進行分解，從而將摩擦進行分類，基于各個類型進行摩擦生熱的計算。

圖1 部件功率損失組成

1.1 軸承發(fā)熱計算

物理學中，功率的計算可由力矩乘以轉速得到，由此得到軸承摩擦功率損耗計算式：

Palmgren對各種類型和尺寸的軸承在輕載、重載以及中低轉速下分別進行了實驗，最后總結出計算中低轉速球軸承摩擦力矩的經驗公式[7]：

軸承的轉速相對很高，軸承腔室長時間處于高溫狀態(tài)，造成軸承運動時間越長，摩擦越嚴重，生熱速度越快，所以其經驗公式中與相應的力矩有很大的聯(lián)系。

軸承發(fā)熱量的大小與軸承的轉速、力矩、生熱系數(shù)有很大關聯(lián)，所以需要將這幾個參數(shù)進行合理地計算。

1.2 齒輪發(fā)熱計算

齒輪功率損失主要有嚙合損失以及風阻損失。嚙合損失分為滑動摩擦以及滾動摩擦功率損失。

齒輪副相互嚙合傳動，齒面間相互摩擦會產生摩擦損失。齒輪的輪齒與齒輪箱中的空氣接觸，大的轉速下氣流會在輪齒間高速流動，且流動方向與輪齒切向速度相反，產生風阻損失。軸承在高速轉動的過程中，其滾動體與滾道之間發(fā)生急劇的摩擦而產生摩擦損失。

齒輪副相互嚙合產生運動關聯(lián)，同時在運動的過程中產生機械摩擦。齒輪的輪齒在運動過程中與空氣連續(xù)接觸，轉速越高，與空氣的摩擦會越劇烈，從而生熱速度會加快，所以需要考慮風阻的影響。

因而齒輪發(fā)熱分為滑動摩擦生熱、滾動摩擦生熱、風阻生熱，需要計算這3類發(fā)熱量。

2 計算條件

某型發(fā)動機傳動盒附件系統(tǒng)中的部件結構特點如下：齒輪與軸承從屬于傳動軸，齒輪帶動軸轉動，軸承支撐傳動軸。軸輸入功率、轉速并傳遞給軸上齒輪，齒輪嚙合副將功率轉速傳遞到下一根軸。齒輪嚙合轉動，軸承高速轉動產生摩擦，導致生熱。軸上齒輪傳動關系如圖2所示。

圖2 軸上齒輪軸承

航空發(fā)動機附件系統(tǒng)中轉動部件的潤滑主要采用滑油潤滑?；托吞栆罁?jù)相關工況選擇[8-11]。

3 計算結果及分析

計算結果中熱量單位均為W。軸承功率損失結果如圖3所示。

圖3 軸承功率損失結果

傳動盒部件傳動系統(tǒng)共有10個軸承熱源，其中發(fā)熱量最大為24 W，由中央齒輪軸上的兩個軸承產生。主要原因在于中央齒輪軸轉速最大，且軸承節(jié)圓直徑較大。最小發(fā)熱量的軸承是輔助燃油泵齒輪軸后軸承，發(fā)熱量為1.21 W。這是由于其轉速相對較低，軸承節(jié)圓直徑雖然不小，但較低的轉速抵消了這一參數(shù)產生的影響。比較傳動盒中介齒輪軸前軸承和傳動盒中介齒輪軸后軸承，雖然兩者都屬于中低轉速范圍，但發(fā)熱量存在較大的差異。因為前者為球軸承，且轉速高，載荷重，摩擦力矩大。而后者為圓柱滾子軸承，且轉速低，載荷相對較小，摩擦力矩較小。

齒輪滑動摩擦損失功率如圖4所示，總共5組數(shù)據(jù)。結果中最大為7.98 W，是傳動盒中介小齒輪副產生。傳動盒抽油泵齒輪副摩擦功率損失最小，只有0.01 W。

圖4 齒輪滑動摩擦功率損失結果

齒輪滾動摩擦損失功率如圖5所示，總共5組數(shù)據(jù)。滾動摩擦功率損失相差不大，分布比較均勻。

圖5 齒輪滾動摩擦功率損失結果

傳動盒中介小齒輪副的滑動摩擦損失比滾動摩擦損失大得多。這是由于它們的法向力很大，使得兩嚙合齒輪相對滑動趨勢增大，抵消這個滑動趨勢的靜摩擦力比較大，使得滑動摩擦損失很大。而它們的嚙合齒輪轉速不高，導致兩齒輪副嚙合齒輪的平均滾動速度較小，所以滾動摩擦損失相對于滑動摩擦損失來說小得多。

齒輪副滑動摩擦與滾動摩擦功率損失的和就是齒輪副總的摩擦功率損失，如圖6所示。

圖6 齒輪總摩擦功率損失

雖然傳動盒中介小齒輪副滾動摩擦損失非常小，但是其滑動摩擦損失很大，損失總和最大。

單個齒輪轉動時齒面擾流導致風阻的產生，所以嚙合齒輪副中每個齒輪都會產生風阻損失，總共10組數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 齒輪風阻損失

主燃油泵齒輪的風阻損失最大，與傳動盒中央大齒輪比較接近。而傳動盒抽油泵齒輪的風阻損失最小。究其原因，風阻很大程度上是跟齒輪尺寸密不可分的，前兩個齒輪尺寸大，與對流空氣接觸面積大，受阻大。風阻與齒輪轉速也密切相關。傳動盒抽油泵齒輪轉速低，對流空氣擾動較小，受阻較小。

齒輪風阻損失與摩擦損失占比如圖8所示。結果表明該齒輪箱系統(tǒng)中齒輪摩擦功率損失大于風阻損失，兩者相差18%。與實際工況吻合。齒輪軸承部件發(fā)熱占比如圖9所示。結果表明該齒輪箱系統(tǒng)中軸承摩擦損大于齒輪功率損失，兩者相差58%。與實際工況接近。

圖8 齒輪功率損失比重

圖9 部件發(fā)熱比重

實際發(fā)動機運行時，該腔室齒輪箱系統(tǒng)部件發(fā)熱量的分布情況與理論計算結果吻合，驗證了功率損失模型在實際中的適用性。

4 結束語

本文根據(jù)附件系統(tǒng)部件發(fā)熱原理以及運行工況，建立了發(fā)熱計算模型，針對某型發(fā)動機附件系統(tǒng)進行了計算分析，對計算模型進行驗證。得出如下結論。

（1）齒輪箱中軸上齒輪軸承都是高速旋轉運動部件，由于摩擦碰撞以及風力導致生熱。

（2）齒輪箱中功率損失絕大部分來自于部件發(fā)熱，應用功率損失理論模型評估部件發(fā)熱情況較為合理。

（3）針對某型發(fā)動機傳動盒齒輪箱系統(tǒng)部件發(fā)熱進行了理論計算，結果表明部件功率損失與轉速、尺寸、潤滑條件密切相關。

（4）通過將各部件發(fā)熱所占比重以及齒輪損失類型所占比重與實際工況對比，表明功率損失模型與實際吻合。