滚珠轴承轴向载荷间接测量方法的原理及特点

1、轴向载荷间接测量方法的原理

在航空发动机的设计过程中，依据发动机转子轴向力的计算方法，可将转子轴向力分为盘腔轴向力和流道轴向力两个部分。盘腔轴向力为发动机空气系统中各腔室作用在转子系统上的轴向载荷之和，流道轴向力为发动机压气机涡轮流道所受的轴向载荷之和。对于其中每一个轴向力分量的计算，主要依据动量定理进行。

转子轴向力计算输入参数主要有：流道进口静压、轴向速度、面积，流道出口静压、轴向速度、面积，通过流道的质量流量，盘腔腔压，流道和盘腔的几何参数等。

滚珠轴承轴向载荷间接测量方法正是基于转子轴向力计算方法而提出的，其基本思想是将每个分量的盘腔轴向力和流道轴向力进行测算和迭加。

对于盘腔轴向力，通过实时测量与发动机转子系统相关的各腔室的腔压，结合对应盘腔的几何尺寸即可测算出。但在发动机台架试车时，受限于测试系统的局限性和可实现性，不可能完全测量发动机所需空气系统腔室的压力，因此须进行相关的计算处理。如可通过盘腔的来流压力、背压、封严形式等，结合一定的经验公式和修正方式，估算该盘腔的压力等，再通过相关计算处理后，即可得到所需的所有空气系统盘腔的静压，从而实现盘腔轴向力的实时测算。测算关键在于经验公式和修正参数的选取，该公式和参数的选取直接影响盘腔轴向力计算的精度。在处理盘腔轴向力时，一般忽略盘腔内气流流动产生的动量对转子轴向力的影响。

对于流道轴向力，通过实时测量压气机、涡轮流道相关截面的进出口静压和轴向速度等参数，结合流道轴向力计算方法，可实现流道轴向力的实时测算。与盘腔轴向力的测试相同，通常某些截面的参数也无法直接测试。如由于某些原因使得涡轮进口参数难以直接测量，但其可通过涡轮出口参数依据涡轮的工作特性反推计算得到。在已知压气机、涡轮流道进出口静压和轴向速度等数据后，再根据发动机的共同工作线、部件特性线等，插值、拟合出每级转子叶片的进出口静压和轴向速度等。当发动机在不同工作状态工作时，其插值公式有较大的差异，故需要对多组插值方法进行判断、计算。然后依据特定算法计算每级转子叶片的轴向力，最后进行迭加，实时测算出整个转子系统的流道轴向力。测算关键在于插值、拟合公式的选择和修正。通过盘腔轴向力和流道轴向力的迭加即得到发动机的转子轴向力。

在进行发动机转子轴向力间接测量时，为了能实时显示，需依据发动机测量通道中的参数编制专用程序进行测算。在采用轴向载荷间接测量方法时，需要有发动机各部件性能、结构等诸多详细的参数,结合测试系统的可行性，对于那些不易直接测量的参数，需要灵活多变地利用已测参数、发动机结构性能数据进行推导。而对于提出的轴向载荷测量算法，也需要采取多种方式对其进行校核、修正，最终形成适合特定发动机的轴向载荷间接测量方法。

2、轴向载荷间接测量方法的特点

与其它传统的轴向载荷测量方法相比， 滚珠轴承轴向载荷间接测量方法主要有以下优点：

(1) 测量精度可控。若需较高的测量精度，则需要提出较全面的测量参数进行测算。

(2) 可测量轴向载荷的各个分量。 滚珠轴承轴向载荷由若干分量迭加而成， 轴向载荷间接测量方法可输出每一个轴向力分量， 利于发动机整机轴向力的分析和调整。

(3) 可实时测量发动机的转子轴向力。 通过轴向载荷间接测量程序， 可在发动机台架试车时实时显示发动机轴向力的大小， 为发动机的状态监测提供依据。

(4) 测量方法简单，不需修改发动机结构。发动机台架试车时， 自身需要测量较多的参数以验证发动机设计水平，该方法选用相关测量参数(可适当补充部分参数)即可进行滚珠轴承轴向载荷测量。

但该方法也存在着不足， 最主要的是需对发动机进行较全面的参数测量。在发动机试制阶段，可实施较全面的参数测量；但在批生产阶段，无法满足大量参数测量的要求， 需借助其它方法实现滚珠轴承轴向载荷的测量。