胡占齊，李巍，楊育林，齊效文，劉長(zhǎng)鑫

(燕山大學(xué) 關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

關(guān)節(jié)軸承是一種球面滑動(dòng)軸承，具有承載力大、抗沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)，在航空航天飛行器以及眾多軍事設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。關(guān)節(jié)軸承主要失效形式是磨損，使得軸承內(nèi)、外圈間隙增大，引起軸承支承部位的振動(dòng)，磨損嚴(yán)重時(shí)還可導(dǎo)致相關(guān)部件的失效。如某型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)曾發(fā)生由于關(guān)節(jié)軸承磨損斷裂導(dǎo)致操作系統(tǒng)失效的事故，嚴(yán)重影響了飛行器的安全[4-5]。

由于關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)理論研究還不成熟，在關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能分析、壽命計(jì)算公式擬合、額定動(dòng)、靜載荷確定等方面僅靠理論研究還無法解決，需要對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行壽命試驗(yàn)。因此，作為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能的檢測(cè)設(shè)備，關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的研制是一項(xiàng)基礎(chǔ)而又重要的工作。

下文對(duì)國內(nèi)外典型的航空關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評(píng)述，分析了軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的組成系統(tǒng)，針對(duì)壽命試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)有問題提出了改進(jìn)方案，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 典型關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)

國內(nèi)外已研制出一定數(shù)量的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，為關(guān)節(jié)軸承的性能評(píng)價(jià)與研制提供了重要的數(shù)據(jù)。由關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動(dòng)形式可知，常規(guī)關(guān)節(jié)軸承是一個(gè)3自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副，故常規(guī)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)維數(shù)不超過三維，特殊直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)維數(shù)不超過四維?，F(xiàn)以試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)維數(shù)為準(zhǔn)則，將現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)分為一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)、二維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)和多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)。針對(duì)每一類型選取典型的壽命試驗(yàn)機(jī)，對(duì)其加載方式、檢測(cè)參數(shù)、環(huán)境模擬方式、性能特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)述。

1.1 一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)

在試驗(yàn)芯軸的帶動(dòng)下，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈相對(duì)外圈繞z軸往復(fù)擺動(dòng)，軸承運(yùn)動(dòng)形式如圖1所示。

圖1 軸承一維運(yùn)動(dòng)示意圖

相對(duì)商業(yè)化的摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)還處于發(fā)展階段，主要以一維運(yùn)動(dòng)形式為主，典型的關(guān)節(jié)軸承一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)特點(diǎn)見表1。

表1 典型關(guān)節(jié)軸承一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)

續(xù)表

1.2 二維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)

軸承外圈相對(duì)內(nèi)圈同時(shí)繞x軸和z軸往復(fù)擺動(dòng)，軸承運(yùn)動(dòng)形式如圖2所示。

圖2 軸承二維運(yùn)動(dòng)示意圖

1.3 多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)

多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)是在二維運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)芯軸相對(duì)軸承內(nèi)圈沿z軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，軸承運(yùn)動(dòng)形式如圖3所示。二維與多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)研究報(bào)道較少，其特點(diǎn)見表2。

圖3 軸承多維運(yùn)動(dòng)示意圖

表2 關(guān)節(jié)軸承二維與多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)

1.4 特點(diǎn)分析

由表1和表2可知，各試驗(yàn)機(jī)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的選取、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、檢測(cè)參數(shù)的要求、環(huán)境模擬系統(tǒng)的配置都不相同。

1)大多數(shù)壽命試驗(yàn)機(jī)采用液壓系統(tǒng)加載，能夠施加較大載荷，可控性好、反應(yīng)迅速；部分壽命試驗(yàn)機(jī)采用杠桿加載方式，加載穩(wěn)定性高，不易產(chǎn)生振動(dòng)。

2)大部分壽命試驗(yàn)機(jī)研制過程中沒有考慮環(huán)境因素變化對(duì)檢測(cè)精度的影響，如熱變形、受力變形、振動(dòng)、電磁干擾、陪試軸承磨損等因素；少數(shù)考慮了環(huán)境因素的影響，但對(duì)誤差產(chǎn)生的原因、誤差辨識(shí)以及誤差補(bǔ)償沒有進(jìn)行深入研究。

3)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度的研究不夠，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否真實(shí)反映軸承的摩擦磨損性能無法判斷。

2 試驗(yàn)機(jī)組成

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)由5大系統(tǒng)組成，即加載系統(tǒng)、擺動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)、軸承夾具系統(tǒng)。

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要在試驗(yàn)過程中對(duì)軸承施加徑向或軸向載荷，要求所加載荷穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)范圍寬、加卸載操作方便。目前常用的加載方法主要有液壓裝置加載[28]、杠桿裝置加載[29]、螺紋裝置加載[30-32]、氣動(dòng)裝置加載[33-34]、電磁裝置加載[35]和偏心機(jī)構(gòu)加載[36]。

2.2 擺動(dòng)系統(tǒng)

擺動(dòng)系統(tǒng)是將動(dòng)力源的單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙向擺動(dòng)，擺動(dòng)系統(tǒng)的選擇對(duì)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)可靠性和智能化有著至關(guān)重要的影響。目前典型的擺動(dòng)系統(tǒng)有齒輪-齒條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、液壓擺動(dòng)馬達(dá)和直線往復(fù)轉(zhuǎn)化裝置。

2.3 環(huán)境模擬系統(tǒng)

環(huán)境模擬系統(tǒng)是借助環(huán)境箱或相關(guān)調(diào)溫裝置較真實(shí)的模擬關(guān)節(jié)軸承的工況，如真空環(huán)境[37]、高低溫環(huán)境[27]、鹽霧及沙塵環(huán)境[38]、污水及油脂環(huán)境[18]等。同時(shí)有相關(guān)摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)[39-40]采用了局部加熱的方式進(jìn)行環(huán)境模擬，此技術(shù)減少了試驗(yàn)預(yù)熱時(shí)間和加熱能源的消耗。

2.4 檢測(cè)與控制系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)是對(duì)壽命試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行參數(shù)或關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，例如試驗(yàn)機(jī)加載載荷、擺動(dòng)角度、擺動(dòng)頻率及次數(shù)、關(guān)節(jié)軸承磨損量、摩擦力矩(摩擦因數(shù))、摩擦溫度等。檢測(cè)數(shù)據(jù)的可信度直接影響關(guān)節(jié)軸承壽命及性能的評(píng)價(jià)。

2.5 軸承夾具系統(tǒng)

軸承夾具系統(tǒng)主要用于安放試驗(yàn)軸承，并將加載機(jī)構(gòu)施加力傳遞到試驗(yàn)軸承上，同時(shí)通過試驗(yàn)芯軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)軸承往復(fù)擺動(dòng)。大部分關(guān)節(jié)軸承夾具系統(tǒng)中都裝有滾動(dòng)軸承，但在試驗(yàn)過程中滾動(dòng)軸承也會(huì)有摩擦磨損和附加扭矩的產(chǎn)生，這對(duì)真實(shí)反映關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能會(huì)產(chǎn)生影響。

3 試驗(yàn)機(jī)存在的問題

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的研制涉及機(jī)械、電氣、控制、測(cè)量等多學(xué)科知識(shí)，雖然目前國內(nèi)外已研制出一定數(shù)量的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，但其仍存在一些問題。

3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不完善，數(shù)據(jù)兼容性差

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)多基于高?；蚩蒲袉挝恍枨笞孕醒兄粕a(chǎn)，試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)的精度與布置等不統(tǒng)一，導(dǎo)致相同試件在不同試驗(yàn)機(jī)上所得的試驗(yàn)結(jié)果兼容性差，給關(guān)節(jié)軸承壽命預(yù)測(cè)帶來不確定性。

國內(nèi)外已針對(duì)不同工況條件頒布了相應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如美國標(biāo)準(zhǔn)MIL-B-81820《低速自調(diào)心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范》、MIL-B-81819《高速自調(diào)心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承通用規(guī)范》和中國標(biāo)準(zhǔn)GJB 5502—2005《低速擺動(dòng)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)關(guān)節(jié)軸承的檢測(cè)方式、加載載荷、擺動(dòng)頻率、失效判據(jù)等作了詳細(xì)的說明。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)重視各系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選取與布置，強(qiáng)調(diào)并統(tǒng)一檢測(cè)傳感器的精度，從而提升不同試驗(yàn)機(jī)所得數(shù)據(jù)的兼容性，便于關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能及壽命的分析與對(duì)比。

3.2 間接檢測(cè)軸承各項(xiàng)性能參數(shù)

關(guān)節(jié)軸承相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如摩擦溫度、磨損量等)均采用間接方式采集，即檢測(cè)傳感器無法直接接觸或者感應(yīng)到軸承內(nèi)部摩擦磨損的情況，只能通過相關(guān)途徑進(jìn)行間接的測(cè)量，對(duì)真實(shí)反映關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損性能產(chǎn)生影響。

需要針對(duì)關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)形式，改善檢測(cè)方式，使傳感器盡可能貼近關(guān)節(jié)軸承摩擦表面；同時(shí)深入研究關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損機(jī)理，尋找能準(zhǔn)確反映軸承內(nèi)部摩擦特性并易于檢測(cè)的參數(shù)，從而使測(cè)量更加可信、可靠。

3.3 在線檢測(cè)抗干擾能力較差

大部分關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)采用在線檢測(cè)方式，實(shí)時(shí)采集、記錄關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，但環(huán)境因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)精度產(chǎn)生影響，自身抗干擾能力較弱。

因此，可借鑒數(shù)控機(jī)床或三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，融入誤差分析、誤差辨識(shí)、誤差補(bǔ)償?shù)壤碚摶蚣夹g(shù)手段，消除或減小環(huán)境因素所造成的誤差，提升壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)的可信度。目前針對(duì)關(guān)節(jié)軸承磨損量檢測(cè)系統(tǒng)熱變形和試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)徑向波動(dòng)干擾已有相關(guān)的補(bǔ)償方法[41-43]。

3.4 檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度評(píng)價(jià)工作不足

由于各項(xiàng)環(huán)境因素的干擾，關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否能真實(shí)反映軸承的摩擦磨損性能無法準(zhǔn)確判斷，非常需要一種可在試驗(yàn)機(jī)全生命周期內(nèi)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，對(duì)同一臺(tái)壽命試驗(yàn)機(jī)誤差補(bǔ)償前后檢測(cè)可信度進(jìn)行對(duì)比和對(duì)不同壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)精度進(jìn)行比較。

3.5 多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)研制不足

多維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是在一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使關(guān)節(jié)軸承運(yùn)動(dòng)更貼近于實(shí)際工況，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于分析評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承壽命性能更具有說服力，但多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)的研制進(jìn)步較慢。

3.6 環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一，設(shè)備體積大

目前的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一，不能綜合模擬軸承實(shí)際的工況條件。環(huán)境模擬系統(tǒng)多采用體積龐大的環(huán)境箱，試驗(yàn)過程中需將軸承夾具和部分設(shè)備機(jī)體都置于環(huán)境箱內(nèi)，造成試驗(yàn)軸承裝卸不便，增加了能量消耗，延長(zhǎng)了試驗(yàn)時(shí)間。

3.7 智能化程度不高

現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)只能做到試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線檢測(cè)與實(shí)時(shí)記錄，不能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析統(tǒng)計(jì)；對(duì)已記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能建立完善的數(shù)據(jù)庫，不能對(duì)一系列關(guān)節(jié)軸承壽命與性能進(jìn)行智能評(píng)價(jià)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展還較為落后，其作為關(guān)節(jié)軸承研發(fā)的重要支撐，仍有很大的發(fā)展空間。結(jié)合關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)存的問題和先進(jìn)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的趨勢(shì)[44]，預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

4.1 檢測(cè)可信度更高

更加重視檢測(cè)誤差的分析、加強(qiáng)環(huán)境因素的研究和著重考慮關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選用。借鑒數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)，發(fā)展軸承壽命試驗(yàn)機(jī)在線誤差補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)環(huán)境因素造成的誤差進(jìn)行分析、辨識(shí)、建模及補(bǔ)償，壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)精度更高，為更好地評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承性能提供支持。

4.2 建立檢測(cè)可信度評(píng)價(jià)體系

結(jié)合關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)量、小樣本、工況復(fù)雜干擾多的特點(diǎn)，建立試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)可信度評(píng)價(jià)體系，能夠?qū)υ囼?yàn)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

4.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)兼容性提高

參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，統(tǒng)一關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，重視所用傳感器測(cè)量精度與可靠性，減少試驗(yàn)過程中的誤差，使相同試件在不同試驗(yàn)機(jī)上所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性。

4.4 簡(jiǎn)易軸承壽命試驗(yàn)機(jī)和多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)共同發(fā)展

關(guān)節(jié)軸承摩擦學(xué)試驗(yàn)的2個(gè)主要任務(wù)是：摩擦磨損機(jī)理分析與壽命預(yù)測(cè)。摩擦磨損機(jī)理分析通常采用一維運(yùn)動(dòng)壽命試驗(yàn)機(jī)，在滿足工況要求和試驗(yàn)精度的情況下，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，關(guān)節(jié)軸承裝卸更加便捷；軸承壽命預(yù)測(cè)應(yīng)使試驗(yàn)條件接近于實(shí)際工況，重視多維模擬臺(tái)架壽命試驗(yàn)機(jī)的研制，進(jìn)一步完善關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)構(gòu)形體系。

4.5 環(huán)境模擬更完善、結(jié)構(gòu)更緊湊

環(huán)境模擬系統(tǒng)能充分考慮軸承服役的復(fù)雜工況，借鑒局部環(huán)境模擬技術(shù)(局部加熱、冷卻技術(shù))，在滿足環(huán)境要求的條件下，減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間和能量消耗。

4.6 智能化程度更高，控制系統(tǒng)提升

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的智能化發(fā)展，能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、記錄的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并建立相關(guān)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，最終為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軸承相關(guān)性能提供依據(jù)。進(jìn)一步促進(jìn)關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)專用控制系統(tǒng)的開發(fā)，提高控制系統(tǒng)在試驗(yàn)機(jī)中的通用性和開放性。

5 結(jié)束語

關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)已成為關(guān)節(jié)軸承研發(fā)過程中不可或缺的檢測(cè)設(shè)備，現(xiàn)有的典型壽命試驗(yàn)機(jī)還存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、在線檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度低、檢測(cè)可信度評(píng)價(jià)體系不完善、多維運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)架數(shù)量少、環(huán)境模擬系統(tǒng)功能單一、試驗(yàn)機(jī)智能化程度低等問題。仍需要從可信度、可靠性、智能化3方面同時(shí)提升軸承壽命試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)水平，進(jìn)一步推動(dòng)關(guān)節(jié)軸承研究與應(yīng)用的發(fā)展。