液体火箭发动机低温高速轴承试验用同轴度调整方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机试验领域，涉及一种液体火箭发动机低温高速轴承试验用同轴度调整方法。

背景技术

同轴度是低温高速轴承试验的关键质量指标之一，是保证高速旋转机械稳定运转的关键。低温高速试验转动系统通过联轴器将驱动装置主轴与试验装置轴相联接，不对中形式包括平行不对中、角向不对中以及上述两种形式的综合不对中。若转子轴系对中不良将导致两轴系轴承承受较大的动载荷，导致驱动端轴承、驱动设备、联轴器等环节的寿命降低，使涡轮泵低温轴承提前发生损坏，从而无法达到考核轴承的目的。

液体火箭发动机低温高速轴承具有超高速(最高转速>80000r/min)、超低温(<-196℃)的工作特点，在超低温状态下，轴承试验装置会产生较大的收缩，同时在超高速工作状态下会导致系统产生较大的振动。低温试验装置轴系与驱动装置轴系间存在的同轴度偏差，将会导致轴承在高速运转时承受较大的附加动载荷，尤其是针对低温高速轴承，其工作转速非常高，会极为的放大(成平方倍数的放大)因不同轴带来的偏心力以及形成的附加动载荷，对轴承及试验装置轴系将会造成非常大的伤害。

除此之外，低温高速轴承工作在超低温液氮或液氢、液氧介质中，工作环境非常恶劣，而其本身仅靠保持架转移膜形成的固体自润滑，对同轴度偏差非常敏感。若初始同轴度调整至理想状态，会导致轴系承受的偏心离心力传递值轴承，导致轴承承受附加动载荷，造成轴承早期发生润滑不良现象，严重时导致轴承运行轨迹发生变化，在短时间内造成轴承损坏、抱死，并且造成试验转动系统联轴器、转子的断裂现象。

因此实现低温高速试验装置与驱动装置的同轴度准确调整以及测量，对于低温高速轴承的稳定运转、考核验证、保障航天发射具有重大意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种液体火箭发动机低温高速轴承试验用同轴度调整方法，实现低温高速轴承试验装置轴系与高速驱动装置轴系的同轴度调整，保证两轴系在低温状态下的同轴度。

本发明解决技术的方案是：

液体火箭发动机低温高速轴承试验用同轴度调整方法，包括：

在驱动装置主轴轴头位置设置第一x方向位移传感器和第一y方向位移传感器，所述第一x方向位移传感器用于测量从驱动装置到试验装置方向的水平位移，第一y方向位移传感器用于测量垂直位移；记录第一x方向位移传感器的初始值x

装配低温轴承试验装置，通过加力机构1对活点轴承2的外圈施加轴向载荷，同时在活点轴承外圈端面设置百分表，用于监测轴承外圈的轴向移动量；

完成低温轴承试验装置装配后，在低温轴承试验装置主轴伸出端设置第二x方向位移传感器和第二y方向位移传感器，所述第二x方向位移传感器用于测量从驱动装置到试验装置方向的水平位移，第二y方向位移传感器用于测量垂直位移；记录第一x方向位移传感器的初始值x

将低温介质通入低温轴承试验装置，同时采集记录第二位移传感器的位移值，冷却低温轴承试验装置，保证低温轴承试验装置温度小于-190℃，当第二x方向位移传感器和第二y方向位移传感器的数值不随时间变化时，记录第二x方向位移传感器的位移值x

通过上述测试，获得所述低温轴承试验装置主轴与驱动装置主轴在常温下的中心高预先调整值，所述中心高预先调整值为(y

通过上述测试，获得所述低温轴承试验装置主轴与驱动装置主轴在常温下的左右偏移量预先调整值。

优选的，对活点轴承的外圈施加轴向载荷，施加方式为：以1000N的载荷阶梯逐步施加至活点轴承的满载荷，然后将轴向载荷完全撤去；然后再将载荷施加至满载荷，重复2-3次，保证每次活点轴承的外圈端面的轴向位移量在包络范围之内，确保两个活点轴承均施加载荷到位，保证两个活点轴承的轴向游隙完全消除的同时端面没有产生倾斜。

优选的，左右偏移量预先调整值的计算方法如下：

①分别计算低温轴承试验装置及驱动装置主轴轴头左右位移量，其中驱动装置主轴位移量为X

②若X

优选的，所述低温轴承试验装置与驱动装置的同轴度在调整前应首先调整试验装置前后轴承座的同心度。

优选的，在调整同轴度的过程中利用同轴度工装实时测量低温轴承试验装置与驱动装置的同轴度。

优选的，所述同轴度工装包括轴套套紧结构、第一转接结构、第二转接结构、放大盘、第一百分表、第二百分表、第三转接结构、第四转接结构、平头螺钉；

将轴套套紧结构安装于试验装置主轴上并通过螺栓压紧；第一转接结构安装于轴套套紧结构上，并通过螺母压紧；第二转接结构安装于第一转接结构上端、第三转接结构安装于第一转接结构下端，均通过螺母压紧；第一百分表安装于第二转接结构上，并通过螺栓压紧；第四转接结构安装于第三转接结构上，并通过螺母压紧；所述第二百分表安装于第四转接结构上，并通过螺栓压紧；所述放大盘安装于驱动装置主轴上，并通过平头螺钉压紧。

优选的，所述同轴度工装的使用方法如下：

将第一百分表、第二百分表的表针调整合适的压缩位置，并将各紧固部件按照规定预紧力拧紧；

将试验装置施加轴承轴向载荷至满载荷，转动试验装置主轴，按照预先获得的同轴度调整值调整试验装置主轴与驱动装置主轴的同轴度；其中第一百分表用于测量试验装置主轴与驱动装置主轴的中心高偏差，第二百分表用于测量试验装置主轴与驱动装置主轴的端面偏差。

优选的，所述放大盘为一中空的“凸”型回转体结构，在其直径较大的外端面中心位置处开设有锥形孔；所述外端面与和试验装置主轴接触的内端面的平行位置公差应<0.001mm。

优选的，若第一百分表的表针至轴套套紧结构的轴向距离L>50mm，则计算弹性变形导致第一百分表表针处的位移量D，调整同轴度时，应保证试验装置主轴中心高高于驱动装置主轴的量为(y

优选的，同轴度工装的材料为钛合金或者铝合金。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过深入研究高速试验转动系统同轴度，对低温高速轴承试验装置、高速驱动装置的工作特性进行详细理论分析，提炼出针对低温高速轴承试验转动系统同轴度的预先补偿值，为同轴度的精确控制提供了基础支撑。

(2)本发明通过长期的试验验证，提炼出了针对低温轴承试验装置的同轴度调整方法，并通过结构设计出了针对低温高速轴承试验系统同轴度调整的工装结构及使用方法，保证了低温高速轴承试验运转的安全可靠性。

附图说明

图1为试验装置与驱动装置结构示意图；

图2为驱动装置轴头位移传感器监测示意图；

图3为试验装置轴头位移传感器监测示意图；

图4为前、后轴承座同心度测量结构示意图；

图5为同轴度工装结构图；

图6为轴套套紧结构示意图；

图7为第一转接结构示意图；

图8为第二转接结构示意图；

图9为第四转接结构示意图；

图10为放大盘示意图；

图11为轴向距离校核示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

图1为试验装置与驱动装置结构示意图。为获得试验装置与驱动装置在常温状态下的同轴度预先调整值，本发明预先调整的方法步骤如下所示：

(1)在驱动装置高速伸出轴头位置设置第一x方向位移传感器和第一y方向位移传感器，如图2所示，视图方向为从驱动装置看向试验装置方向。所述第一x方向位移传感器用于测量从驱动装置到试验装置方向的水平位移，第一y方向位移传感器用于测量垂直位移；记录第一x方向位移传感器的初始值x

(2)对低温轴承试验装置装配，通过加力机构1对活点抽承2的外圈施加轴问载荷，同时在活点抽承外圈端面设置百分表，用于监测轴承外圈的轴向移动量。轴向载荷施加方式为：以1000N的载荷阶梯逐步施加至轴承的满载荷，然后将轴向载荷完全撤去；然后再将载荷施加至满载荷，重复2-3次，保证每次活点轴承2的外圈端面的轴向位移量在包络范围之内，确保两个轴承均施加载荷到位，保证两个轴承的轴向游隙完全消除的同时端面没有产生倾斜。图1中4为死点轴承，即为固定不动的轴承；

(3)完成试验装置装配后，在试验装置主轴13伸出端设置第二x方向位移传感器和第二y方向位移传感器，如图3所示，视图方向为从驱动装置看向试验装置方向。所述第二x方向位移传感器用于测量从驱动装置到试验装置方向的水平位移，第二y方向位移传感器用于测量垂直位移；记录第一x方向位移传感器的初始值x

(4)将低温介质通入轴承试验装置，同时采集记录第二位移传感器的位移值，对试验装置冷却时间大于30min，保证试验装置温度小于-190℃，当第二x方向位移传感器和第二y方向位移传感器的数值不随时间变化时，记录第二x方向位移传感器的位移值x

(5)通过上述测试，获得所述试验装置主轴13与驱动装置主轴21在常温下的中心高预先调整值应为：试验装置主轴高于驱动装置主轴的值为(y

(6)通过上述测试，获得所述试验装置主轴与驱动装置主轴在常温下的左右偏移量预先调整值的计算方法应为：①分别计算试验装置及驱动装置轴头左右位移量，其中驱动装置主轴位移量为X

所述试验装置与驱动装置的同轴度在调整前应首先调整前后轴承座的同心度。

试验装置的前后轴承座7、12的同心度测量结构示意如图4所示。所述前后轴承座同心度调整结构包括百分表6、11、L型转接结构8、10以及转动结构9。

所述百分表6安装于L型转接结构8上，百分表11安装于L型转接结构10上，L型转接结构8、10安装于转动结构9主轴两端的螺纹孔上，并通过螺母压紧。安装到位后的整体结构放置于前轴承座7和后轴承座12之间，且转动结构9主轴的轴向中心线与前轴承座7、后轴承座12的轴向中心线重合。

所述L型转接结构8、10的安装角度应一致，处于同一方位角度，在测试前将百分表均调整至零位。

所述前后轴承座7、12的同心度测量应使转动结构转动，通过分析百分表的示数变化，进而调整前后轴承座7、12的同心度并紧固。

所述试验装置与驱动装置的同轴度预先调整值获取后，应采用适合于传动装置的同轴度调整方法测量及调整同轴度值。

所述同轴度调整方法应根据试验装置与驱动装置的空间大小及结构特点，设计以及选用选择相应的同轴调整结构及调整方法。

所述试验装置与驱动装置的空间大小主要取决于其轴向距离以及中心高，若空间距离足够，则应采用以驱动装置轴为基准，采用同轴度工装结构，设置同轴度调整放大圆盘结构，在试验装置轴上设置转接工装及百分表结构，实现同轴度的测量以及同轴度的调整。

所述同轴度工装结构如图5所示。其组成包括螺栓14、轴套套紧结构15、螺母16、第一转接结构17、第二转接结构18、放大盘19、百分表20、23、第三转接结构22、第四转接结构24、平头螺钉25。

所述同轴度工装结构的安装方法为，将轴套套紧结构15安装于试验装置主轴13上并通过螺栓14压紧；第一转接结构17安装于轴套套紧结构15通过螺母压紧；第二转接结构18、第三转接结构22安装于第一转接结构17，均通过螺母压紧；百分表20安装于第二转接结构18通过螺栓14压紧；第四转接结构24安装于第三转接结构22，通过螺母压紧；所述百分表23安装于转接结构四22，通过螺栓14压紧；所述放大盘19安装于驱动驱动装置主轴21，并通过平头螺钉25压紧。

所述同轴度工装结构的使用方法为，将所述百分表20、23表针调整合适的压缩位置，并将各紧固部件按照规定预紧力拧紧。将试验装置施加轴承轴向载荷至满载荷，转动试验装置主轴13，即可实现试验装置主轴13与驱动装置主轴21的同轴度调整。按照预先获得的同轴度偏差值，调整试验装置端，保证最终调整的同轴度为理论预先同轴度偏差值。

所述轴套套紧结构15如图6所示。所述轴套套紧结构为一中空的回转体结构，在沿其轴向两个截面位置各设置3个沿圆周分布的螺纹孔，所述螺纹孔与螺栓14相联接，其右端设置外螺纹凸起结构，通过螺母与第一转接结构17相联。

所述第一转接结构17的结构如图7所示。所述第一转接结构的整体外形结构为一长方体结构，在中心位置处设置通孔26，通孔26与轴套套紧结构15右端外螺纹凸起结构，在通孔上下位置处设置两个尺寸一致的长圆孔通孔结构27，所述长圆孔通孔结构通过螺母16与第二转接结构18相联。

所述第二转接结构18如图8所示。所述第二转接结构18的整体外形形状为一圆柱外螺纹结构形状转长方体形状，在长方体结构28夹角为90°的两端面设置螺纹通孔29以及通孔30。所述通孔30安装百分表20，螺纹通孔29拧入螺栓将百分表20压紧。

所述第三转接结构22为圆柱外螺纹结构。所述第四转接结构24的结构形状如图9所示；所述转接结构四整体结构为一长方体结构，在其上设有长方体凸起31、33，在长方体凸起31上夹角为90°的两个面上分别设置螺纹通孔32以及通孔34，其中通孔34用于安装百分表23，螺纹通孔32用于安装螺栓，螺栓将百分表23压紧；在长方体凸起33上，设置三个均匀分布且尺寸一致的圆柱通孔35，用于安装第三转接结构22，并通过螺母压紧。

所述放大盘19的结构如图10所示。所述放大盘结构为一中空的回转体结构，在其直径较大的端面36中心位置处设置锥形孔37；所述端面36与端面39的平行位置公差应<0.001mm，所述端面36、39与外圆面38的垂直度公差应小于0.001mm；所述端面36与端面40的平行公差应小于0.001mm

所述同轴度工装结构在设计时，应校核图11所示百分表表针41处至轴套套紧结构15的轴向距离L、以及截面矩，计算表针处因在重力作用下弹性变形而产生的位移量，通过优化设计将变形量降至误差范围之内。

所述同轴度工装的轴向距离L>50mm，需精确计算校核弹性变形导致百分表表针处的位移量D，则调整同轴度时，应保证试验装置中心高高于齿轮箱轴的量为(y

所述上述各结构的材料应采用钛合金或者铝合金材料。

经过实际验证，本发明所述同轴度工装结构及同轴度调整方法已广泛应用于各型号、各类低温高速轴承试验，具有很强的实用性以及推广性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。