李 磊，陳宇金，趙小全

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)代表室，江西景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

自動(dòng)傾斜器大軸承是直升機(jī)操縱系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，旋翼的總距及周期變距操縱都要通過它來實(shí)現(xiàn)。而大軸承設(shè)計(jì)中的耐久性譜的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文提出的耐久性試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)思路和方法是模擬大軸承在直升機(jī)上的真實(shí)使用環(huán)境(包括載荷、運(yùn)動(dòng)、溫度等)編制耐久性試驗(yàn)譜，具有一定的新穎性和實(shí)用性。

1 大軸承工作環(huán)境簡介

1.1 大軸承的安裝特點(diǎn)

目前直升機(jī)上采用最普遍的是環(huán)式自動(dòng)傾斜器。環(huán)式自動(dòng)傾斜器一般由動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件、扭力臂、防扭臂和變距拉桿等組成。

大軸承安裝于動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件之間，動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件采用環(huán)式球鉸結(jié)構(gòu)，允許垂直滑動(dòng)和傾轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)通過用油脂潤滑的大軸承與不動(dòng)環(huán)相連。

自動(dòng)傾斜器大軸承一般為雙排角觸滾珠軸承，它傳遞從動(dòng)環(huán)到不動(dòng)環(huán)的載荷，為動(dòng)環(huán)提供轉(zhuǎn)動(dòng)功能。大軸承載荷為旋翼的氣動(dòng)鉸鏈力矩之從動(dòng)環(huán)傳遞到不動(dòng)環(huán)部分，包括彎矩和沿旋翼軸方向的軸力。典型大軸承的安裝見圖1。

圖1 大軸承在動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件上的安裝

1.2 大軸承耐久性試驗(yàn)的必要性

如果大軸承的使用時(shí)間限制超過實(shí)際的使用時(shí)間限制，會(huì)危及直升機(jī)的飛行安全，而相反則會(huì)增加直升機(jī)自動(dòng)傾斜器的維護(hù)成本。確定大軸承壽命的準(zhǔn)確性是決定自動(dòng)傾斜器維護(hù)成本的重要因數(shù)。

此外，大軸承在耐久性試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的安全和非安全失效模式的歷程對于制定大軸承和整個(gè)自動(dòng)傾斜器的監(jiān)控檢查和維護(hù)時(shí)間間隔和工作要求非常重要。

1.3 大軸承耐久性試驗(yàn)實(shí)施思路

對于自動(dòng)傾斜器大軸承來說，真實(shí)地模擬工作環(huán)境尤為重要。我們設(shè)計(jì)一個(gè)模擬試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)M大軸承在直升機(jī)工作環(huán)境下的運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)過程中最后一次出現(xiàn)非安全損傷的時(shí)間可以用來確定安全工作壽命，即得出大軸承的使用時(shí)間限制壽命，該試驗(yàn)即大軸承耐久性試驗(yàn)。

通過大軸承耐久性試驗(yàn)得出的使用時(shí)間限制與實(shí)際的使用時(shí)間限制越接近越好。這就使得制定大軸承耐久性試驗(yàn)方案非常重要。大軸承耐久性試驗(yàn)的溫度、潤滑、轉(zhuǎn)動(dòng)和安裝等環(huán)境相對容易制定，而相對難的耐久性試驗(yàn)載荷譜制定是設(shè)計(jì)大軸承耐久性試驗(yàn)的關(guān)鍵。

自動(dòng)傾斜器大軸承一般有一個(gè)理論計(jì)算或飛行實(shí)測的載荷譜。該載荷譜一般包括150多個(gè)飛行項(xiàng)目的載荷及其所占時(shí)間比例，下面是截取了典型的載荷譜的部分項(xiàng)目(見表1)。假如大軸承按上述載荷譜進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，勢必存在試驗(yàn)項(xiàng)目繁多和試驗(yàn)工作量大的問題。因此需要對上述載荷譜進(jìn)行等效裁減，得出合適的大軸承耐久試驗(yàn)載荷譜，一方面提高試驗(yàn)效率，另一方面又不失試驗(yàn)載荷的準(zhǔn)確性。

本文通過分析大軸承壽命的特點(diǎn)，建立一套自動(dòng)傾斜器大軸承耐久性試驗(yàn)譜的設(shè)計(jì)方法。

表1 典型大軸承載荷譜(部分)

2 大軸承耐久性譜設(shè)計(jì)

2.1 大軸承壽命理論簡介

軸承的壽命又稱為軸承疲勞壽命，一般是接觸疲勞壽命。一般意義的軸承疲勞壽命是指一定技術(shù)狀態(tài)下(結(jié)構(gòu)、工藝狀態(tài)、配合、安裝、游隙和潤滑狀態(tài)等)的滾動(dòng)軸承，在主機(jī)的實(shí)際使用狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，直至滾動(dòng)表面發(fā)生疲勞而不能滿足主機(jī)要求時(shí)的軸承內(nèi)、外圈(軸、座圈)相對旋轉(zhuǎn)次數(shù)的總值—總轉(zhuǎn)數(shù)(或總小時(shí)數(shù))。影響軸承疲勞壽命的因素非常多，無法全部加以估計(jì)或通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件加以消除，這造成軸承實(shí)際疲勞壽命有很大的離散性(大量的軸承壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一批結(jié)構(gòu)尺寸、熱處理、材料、加工方法完全相同的同一類型的軸承在同樣條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，可以有不同的壽命，最低壽命和最高壽命相差幾十倍)，因此軸承疲勞壽命的表達(dá)參數(shù)為額定壽命L10，在ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)中對L10的涵義明確規(guī)定如下:“數(shù)量上足夠多的相同的一批軸承，其額定壽命L10用轉(zhuǎn)數(shù)(或在轉(zhuǎn)速不變時(shí)用小時(shí)數(shù)來表示)，該批軸承中有90%在疲勞剝落發(fā)生前能達(dá)到或超過此轉(zhuǎn)數(shù)(或小時(shí)數(shù))”。迄今為止，世界各國都遵從上述規(guī)定。

早在1939年，Weibull提出滾動(dòng)軸承的疲勞壽命服從某一概率分布，這就是后來以其名字命名的分布Weibull，認(rèn)為疲勞裂紋產(chǎn)生于滾動(dòng)表面下最大剪切應(yīng)力處，擴(kuò)展到表面，產(chǎn)生疲勞剝落，Weibull給出了生存概率S與表面下最大剪切應(yīng)力τ、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N和受應(yīng)力體積V的關(guān)系

瑞典科學(xué)家Palmgren經(jīng)過數(shù)十年的數(shù)據(jù)積累，經(jīng)過推導(dǎo)和大量軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得L-P額定壽命計(jì)算公式

式中:L10為基本額定壽命，百萬轉(zhuǎn);Cr為基本額定動(dòng)載荷，N;P為當(dāng)量動(dòng)載荷，N;ε為壽命指數(shù)，球軸承取3，滾子軸承取10/3。L-P模型能很好地解釋滾動(dòng)軸承失效機(jī)理和預(yù)測壽命。

20世紀(jì)80年代，瑞典SKF軸承公司的研究人員在L–P理論的基礎(chǔ)上得出了通用的軸承壽命計(jì)算模型，并簡化額定壽命計(jì)算式可表示為

其中aSKF為壽命調(diào)整系數(shù)，它包括了潤滑、污染、疲勞極限和軸承當(dāng)量動(dòng)載荷之間的復(fù)雜關(guān)系，它的值由污染系數(shù)ηc、軸承疲勞極限載荷Pu、當(dāng)量動(dòng)載荷P和粘度系數(shù)K之間的函數(shù)關(guān)系給出。ηc系數(shù)則考慮了潤滑劑的污染及其對軸承壽命的影響。目前這一理論僅在SKF內(nèi)部使用。

在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO281:1990中也給出了修訂的額定壽命計(jì)算式

該修訂公式中的修正系數(shù)axyz考慮到材料、潤滑、環(huán)境、雜質(zhì)顆粒、套圈中內(nèi)應(yīng)力、安裝和軸承載荷等因素對軸承壽命的影響。目前該修正式已被我國正式引用并作為我國滾動(dòng)軸承行業(yè)產(chǎn)品壽命的推薦性文件。

2.2 大軸承疲勞壽命公式簡化計(jì)算

自動(dòng)傾斜器大軸承套圈為剛性支承并以中速旋轉(zhuǎn)的角接觸滾珠軸承，針對該類型軸承Lundberg-Palmgren計(jì)算軸承疲勞壽命的公式可以為

考慮修正系數(shù)的ISO壽命公式為

2.3 大軸承載荷譜設(shè)計(jì)

自動(dòng)傾斜器大軸承承受復(fù)雜交變載荷，其壽命取決于各個(gè)載荷的疲勞損傷積累。我們可以用疲勞損傷積累的辦法來對自動(dòng)傾斜器大軸承理論計(jì)算或飛行實(shí)測的載荷譜進(jìn)行等效裁剪，以達(dá)到簡化載荷譜的目的。由上述軸承的壽命公式我們可以看出軸承的壽命與軸承所承受的載荷之間存在3次方的關(guān)系，可以得出以下當(dāng)量載荷計(jì)算公式

式中，P1，P2，P3，…，Pi，…，Pn為每個(gè)狀態(tài)下的恒定的當(dāng)量徑向載荷(N)，q1，q2，q3，…，qi，…，qn為大軸承在產(chǎn)品壽命期內(nèi)作用時(shí)間占總時(shí)間的百分?jǐn)?shù)(%)。

利用上述公式可以對大軸承150多個(gè)飛行項(xiàng)目的理論計(jì)算或飛行實(shí)測的載荷譜進(jìn)行裁剪等效。

從自動(dòng)傾斜器大軸承理論計(jì)算或飛行實(shí)測的載荷譜表1中我們可以看出，軸向力大時(shí)彎矩載荷也大，而且載荷大小變化較大(在整個(gè)譜里面載荷是從幾百變化到幾萬)，我們將載荷譜按軸向載荷從小到大的順序分為幾大塊。為了不使剪裁等效的載荷譜因過分簡化而失真，一般需要把載荷譜等效成8個(gè)載荷左右的載荷譜。針對每大塊載荷內(nèi)的軸向力和彎矩利用公式(7)合并為一個(gè)等效的軸向力和彎矩載荷，一共可以合并出8個(gè)載荷。該剪裁等效后的載荷可以作為大軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜。

表2是經(jīng)過剪裁等效后某大軸承理論計(jì)算載荷譜剪裁成耐久性試驗(yàn)譜的結(jié)果。

表2 耐久性試驗(yàn)載荷譜

為了節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和成本，目前在許多類型的軸承耐久性試驗(yàn)采取了加速強(qiáng)化的處理辦法，即采取對載荷譜進(jìn)行強(qiáng)化剪裁或增加轉(zhuǎn)速等辦法［1-2］。由于自動(dòng)傾斜器大軸承是直升機(jī)上的關(guān)鍵部件，其壽命的可靠性影響到直升機(jī)的飛行安全和維護(hù)成本。為了使試驗(yàn)更接近實(shí)際，大軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜對應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間與壽命是一比一的，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、潤滑條件、安裝形式、配合尺寸、配合剛度、試驗(yàn)溫度等參數(shù)與其在直升機(jī)上工作狀態(tài)一致，即不作試驗(yàn)的強(qiáng)化加速處理。上述對載荷譜的附加要求對于大軸承耐久性載荷譜的制定很重要，即耐久性載荷譜按前文所述的剪裁辦法進(jìn)行剪裁后，不繼續(xù)做其它強(qiáng)化處理。國外直升機(jī)相關(guān)軸承的耐久性試驗(yàn)也是不采取強(qiáng)化處理［3］。

2.4 大軸承運(yùn)動(dòng)譜及溫度譜設(shè)計(jì)

自動(dòng)傾斜器大軸承在直升機(jī)上一直以一個(gè)固定的頻率在運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)工況并不復(fù)雜，所以將其真實(shí)的運(yùn)動(dòng)譜設(shè)計(jì)為其耐久性試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)譜。

另外，根據(jù)自動(dòng)傾斜器大軸承的使用環(huán)境溫度要求，確定了大軸承的試驗(yàn)溫度要求。

2.5 大軸承試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)

綜合上述確定的載荷譜、運(yùn)動(dòng)譜和溫度譜，即為自動(dòng)傾斜器大軸承的耐久性試驗(yàn)譜。

2.6 大軸承試驗(yàn)譜的實(shí)施情況

本文介紹的大軸承耐久性試驗(yàn)譜目前已在某機(jī)型大軸承耐久性試驗(yàn)中實(shí)施，已完成試驗(yàn)3件1000小時(shí)的壽命考核，試驗(yàn)情況良好，目前該大軸承已設(shè)計(jì)定型。

該試驗(yàn)譜的設(shè)計(jì)為今后各種機(jī)型的大軸承耐久性試驗(yàn)譜的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的參考依據(jù)。為不同型號(hào)的大軸承耐久性試驗(yàn)引領(lǐng)了方向。

3 結(jié)束語

自動(dòng)傾斜器大軸承的耐久性試驗(yàn)譜是其耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到耐久性試驗(yàn)結(jié)果的可信度、試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期，優(yōu)化提高自動(dòng)傾斜器大軸承耐久性試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)非常必要。

今后還需在進(jìn)行耐久性譜設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)一步考慮材料疲勞性能、潤滑清潔度、潤滑粘性系數(shù)等因數(shù)，對比經(jīng)過相同時(shí)間實(shí)際飛行使用后的軸承狀態(tài)(軸向間隙，徑向間隙，摩擦力矩，是否有金屬剝落等)，進(jìn)一步完善該譜的實(shí)用性，改進(jìn)耐久性試驗(yàn)譜的設(shè)計(jì)。

［1］李興林，李俊卿，張仰平，等.滾動(dòng)軸承快速壽命試驗(yàn)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.軸承，2006(12):44-47.

［2］黎桂華，李興林，鄢建輝.轎車輪轂軸承耐久性試驗(yàn)載荷譜設(shè)計(jì)［J］.軸承，2006(1):27-28.

［3］Frengley M C，Eakin J D.ENDURANCE TESTING OF DAMAGED MAIN ROTOR UPPER THUST BEARING［C］.AHS-1990-102:1187-1206.