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民用飛機(jī)起落架機(jī)輪輪轂軸承壽命分析研究

0引言

起落架系統(tǒng)作為民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)重要的組成部分，其性能直接關(guān)系到飛機(jī)起降滑跑時的穩(wěn)定性和安全性。民用飛機(jī)的起落架系統(tǒng)通常由支架、作動筒、液壓裝置、機(jī)輪、剎車裝置等構(gòu)成。中國民航局2011年頒布的《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25-R4)》25.731條中對起落架機(jī)輪的可靠性提出了明確的要求。而起落架機(jī)輪中的輪轂軸承作為重要的承力與傳動部件，將直接決定機(jī)輪轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定性和耐久性，關(guān)系到整個起落架系統(tǒng)的性能。

由于輪轂軸承的種類繁多，軸承的選型工作應(yīng)根據(jù)起落架的特定工況(如所受載荷的大小和形式，額定轉(zhuǎn)速要求等)并結(jié)合相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則和經(jīng)驗公式進(jìn)行。同時，為了確保所選軸承的可靠性與安全性，在選定軸承并確定安裝方案之后需對其進(jìn)行校核工作，尤其是軸承壽命的校核。

本文以國內(nèi)某型民用飛機(jī)為例(以下簡稱“某型飛機(jī)”)，結(jié)合飛機(jī)本身的參數(shù)(如飛機(jī)重量、機(jī)輪直徑等)和性能指標(biāo)(滑跑距離，滑跑速度等)分別分析其前起落架和主起落架機(jī)輪輪轂軸承的典型工作狀態(tài)。最后根據(jù)軸承本身參數(shù)及其工況對其使用壽命進(jìn)行估算、修正和評估。

由于本文中所有數(shù)值表達(dá)參數(shù)均采用了人為的模糊及偏離處理，這將導(dǎo)致最終估算結(jié)果與實際情況有所偏差。然而該偏差不足以影響最后定性分析的結(jié)論。

1滾動軸承簡介

1.1軸承的分類與適用范圍

滾動軸承按其結(jié)構(gòu)、材料、排列可分為許多種類。機(jī)械工程設(shè)計手冊等文獻(xiàn)對典型軸承按其適用范圍做了詳細(xì)分類，部分內(nèi)容如下。

深溝球軸承：可承受徑向載荷與雙向軸向載荷。適用于汽車變速箱、通用電動機(jī)、家用電器等。

角接觸球軸承：可承受徑向載荷與單向軸向載荷。適用于機(jī)床主軸、高頻馬達(dá)、高速賽車輪輪轂等。

推力球軸承：可承受單向軸向載荷，無法承受徑向載荷。適用于汽車傳動軸、機(jī)床變速裝置等。

圓柱滾子軸承：可承受較大的徑向載荷和沖擊載荷。適用于發(fā)電機(jī)、減速裝置、中型及大型電動機(jī)等。

圓錐滾子軸承：可同時承受較大的徑向載荷、軸向載荷和沖擊載荷。適用于常規(guī)交通工具(汽車、飛機(jī))輪轂、建筑機(jī)械、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械等。

1.2某型飛機(jī)起落架機(jī)輪輪轂軸承介紹

某型飛機(jī)屬于重型交通工具，且其起落架機(jī)輪輪轂軸承需同時承受軸向、徑向載荷與沖擊載荷，故其有針對性地選用了圓錐滾子軸承標(biāo)準(zhǔn)件。主/前輪轂軸承均為雙列成對使用。軸承的內(nèi)圈與起落架機(jī)輪轉(zhuǎn)軸固接；軸承的外圈與起落架機(jī)輪輪轂內(nèi)圈固接。主起落架機(jī)輪輪轂軸承與前起落架機(jī)輪輪轂軸承的安裝位置如圖1所示。

圖1　軸承在機(jī)輪中的安裝位置(左圖為主起落，右圖為前起落架)

某型飛機(jī)起落架軸承主要幾何參數(shù)如表1所示。

2軸承載荷計算

2.1某型飛機(jī)全機(jī)受力分析

當(dāng)飛機(jī)在滑跑時，地面對飛機(jī)的支撐反力絕大部分將直接加載到輪轂軸承上。因此該型飛機(jī)滑跑時的全機(jī)受力情況是研究軸承載荷的前提條件和必要輸入。某型飛機(jī)三輪接地后的受力情況如圖2所示。

圖中飛機(jī)自身重力G、主/前起落架到重心距離

圖2　某型飛機(jī)全機(jī)受力情況

K1/K2均為飛機(jī)本身參數(shù)，此處均可視為已知；升力L是飛機(jī)滑行速度v的函數(shù)。根據(jù)平面受力平衡原理，主/前起落架所受地面對其支持反力Nm，Nf可分別表示為：

(1)

式(1)受力分析僅考慮直線滑跑情況。當(dāng)飛機(jī)處于轉(zhuǎn)彎時，機(jī)輪與地面的靜摩擦力將會產(chǎn)生一個平行于機(jī)輪轉(zhuǎn)軸方向的側(cè)向力。然而，對于一般的民用飛機(jī)來說，相比直線滑跑，轉(zhuǎn)彎情況所占比例極少，故在本次研究中予以忽略。

2.2起落架輪轂軸承受力分析

分析某型飛機(jī)主/前起落架結(jié)構(gòu)可知，地面對起落架機(jī)輪支持反力將通過結(jié)構(gòu)件加載到輪轂軸承上。主/前起落架機(jī)輪輪轂軸承結(jié)構(gòu)示意圖及受理分析情況如圖3所示。

(a)前起落架軸承　　　　　(b)主起落架軸承圖3　輪轂軸承受力情況

如圖3左圖所示，由于前起落架輪轂為對稱結(jié)構(gòu)，故作用在前起落架上的支持反力作用點與輪轂的對稱平面重合。兩列軸承亦為對稱分布，因此支持反力被均勻地分布到兩列軸承上，每列軸承上所受徑向載荷Fr1、Fr2分別為：

(2)

如圖3右圖所示，由于主起落架單側(cè)輪轂為非對稱結(jié)構(gòu)，故作用在主起落架上的支持反力作用點與兩列軸承的對稱面存在偏心距ε，因此兩列軸承所受徑向載荷Fr3、Fr4分別為：

(3)

(4)

2.3軸承額定徑向動載荷

軸承的額定徑向動載荷Cr指一套滾動軸承理論上所能承受的恒定的徑向載荷。在該徑向載荷的恒定作用下，軸承的壽命為100萬轉(zhuǎn)。滾動軸承的額定徑向動載荷與軸承的類型、尺寸、規(guī)格、受載情況有關(guān)。對于某型飛機(jī)所用圓錐滾子軸承，其額定徑向動載荷計算公式為：

(5)

式(5)中，i、Lwe、α、Z、Dwe均為軸承本身參數(shù)，已在表1中列出。bm、fc為均為載荷系數(shù)，與軸承類型、規(guī)格、受載情況有關(guān)，該系數(shù)可從相關(guān)國標(biāo)GBT63912003文件中查表插值獲得bm=1.1，fc=83.7(前)、 fc=88.7(主)。根據(jù)以上參數(shù)，前/主起落架每列軸承的額定徑向動載荷分別為：

Caf=220.5kN，Cam=473kN

2.4軸承當(dāng)量徑向動載荷

軸承的當(dāng)量徑向動載荷Pr指存在一個假象等效徑向動載荷，在該載荷的作用下，滾動軸承具有與實際載荷條件下相同的壽命。滾動軸承的當(dāng)量徑向動載荷主要取決于外部載荷的大小。對于某型飛機(jī)所用圓錐滾子軸承，其額定徑向動載荷為：

Pr=XFr+YFa

(6)

式(6)中Fr、Fa分別為單列軸承所受外部徑向載荷與外部軸向載荷。X、Y分別為徑向載荷系數(shù)與軸向載荷系數(shù)，該系數(shù)可從相關(guān)國標(biāo)GBT63912003文件中查表獲得X=1。根據(jù)以上參數(shù)，前/主起落架每列軸承的當(dāng)量徑向動載荷分別為：

Pr1=Fr1≈40kN，Pr2=Fr2≈40kN

Pr3=Fr3≈150kN，Pr4=Fr4≈130kN

3軸承壽命估算與修正

3.1滾動軸承壽命計算

滾動軸承的壽命是衡量其可靠性和安全性的重要指標(biāo)，一般以轉(zhuǎn)數(shù)表示。滾動軸承的壽命與其額定動載荷與當(dāng)量動載荷的比值有直接關(guān)系。對于圓錐滾子軸承，其壽命Lwe可通過式(6)進(jìn)行計算：

(7)

結(jié)合本文2.3、2.4節(jié)中所獲得的各軸承的額定徑向動載荷Cr與當(dāng)量軸向動載荷Pr，通過式(6)分別計算出前/主起落架各軸承的壽命如下(單位：百萬轉(zhuǎn)):

通過計算可以看出，受載較小的前起落架輪轂軸承的壽命大大高于主起落架。另外，由于主起落架機(jī)輪受力存在偏心距，造成遠(yuǎn)端列軸承壽命L4高于近端列軸承的壽命L3。

3.2滾動軸承壽命修正

通過本文3.1中的計算已獲起落架輪轂各軸承的壽命，該壽命的計算是在可靠度為90的前提下進(jìn)行的。如需保證更高的可靠度，需對壽命進(jìn)行一定的修正。滾動軸承壽命的修正公式如式(8)所示：

(8)

其中：S為可靠度值，取值范圍為(0,100)，數(shù)值越大，表示可靠度越大；ε為韋布爾指數(shù)，此處取1.5。

圓錐滾子軸承屬于常見機(jī)械零部件，90可靠度完全可以適用。但考慮到起落架輪轂軸承對于飛機(jī)起降滑跑性能的重要性，本研究將可靠度提升至S=95對軸承的壽命進(jìn)行修正。修正后的軸承壽命如下(單位：百萬轉(zhuǎn))：

Lnm1=192.82,Lnm2=192.82

Lnm3=28.52,Lnm4=45.93

3.3計算結(jié)果評估

通過本文3.1中的計算和3.2中的修正，已獲得了可靠度為95前提下的各列軸承壽命，并以轉(zhuǎn)數(shù)的形式給出。根據(jù)模型飛機(jī)機(jī)輪參數(shù)可按式(9)，結(jié)合主/前起落架機(jī)輪直徑DL，將轉(zhuǎn)數(shù)L換算為里程數(shù)K：

K=2πDL·L

(9)

經(jīng)計算，某型飛機(jī)前起落架機(jī)輪輪轂的轉(zhuǎn)動壽命約為6.04×105km(合3.78×105mi)，主起落架機(jī)輪輪轂的轉(zhuǎn)動壽命約為1.05×105km(合6.6×104mi)。

根據(jù)某型飛機(jī)的設(shè)計需求并綜合考慮國內(nèi)外相似機(jī)型的設(shè)計慣例，主/前起落架機(jī)輪輪轂的使用里程超過5×104mile時將進(jìn)行全面的維護(hù)和保養(yǎng)工作，其中就包括更換輪轂軸承。根據(jù)以上計算可知，該型號飛機(jī)的前/主起落架輪轂軸承在使用至其最大壽命時即會被更換，不會出現(xiàn)超壽命使用的情況。

4結(jié)論

本文通過分析某型飛機(jī)所用起落架輪轂軸承的規(guī)格、外形等參數(shù)，計算了其額定載荷。同時，通過分析某型飛機(jī)在起降滑跑時的受力情況獲取了分別作用在主/前起落架機(jī)輪輪轂軸承上的當(dāng)量載荷。通過額定載荷與當(dāng)量載荷的關(guān)系估算了軸承的壽命，并進(jìn)行了必要的修正。研究結(jié)果表明，某型飛機(jī)起落架機(jī)輪輪轂軸承的選用恰當(dāng)，裝配方式合理，軸承的使用壽命完全滿足設(shè)計要求。

值得注意的是，本文以工程計算的方式為主。為了確保結(jié)論的可靠性，在計算過程中采取相對保守的方式，這將導(dǎo)致計算結(jié)果也相對保守。本文亦未將某型飛機(jī)實際采用的起落架減震、軸承潤滑等措施考慮在內(nèi)，這些措施均可延長軸承的壽命。如將以上措施考慮在內(nèi)，軸承的壽命將得到顯著延長。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis and Research on Life of Landing Gear Hub-bearing for Civil Aircraft

陳功 /

Chen Gong

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210 )

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210，China )

摘要：

通過對某型民用飛機(jī)起落滑跑情況下的受力分析，獲得了各起落架所受的載荷。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件及該飛機(jī)起落架輪轂軸承本身參數(shù)，計算出了各軸承的額定動載荷及當(dāng)量動載荷。而后通過滾動軸承壽命計算及修正公式計算出了各軸承的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)，該系列軸承的使用壽命完全滿足某型飛機(jī)對于起落架系統(tǒng)的性能要求。

關(guān)鍵詞：起落架輪轂軸承；當(dāng)量載荷；可靠性；基本/修正額定壽命

[Abstract]Load of “C-type Aircraft” landing gear is derived by stress analysis during taking off/landing. Rating load and equivalent load of LG hub-bearing is calculated from its inherent parameter along with relevant standard documents. After that, life of the bearing is calculated and adjusted by empirical formula. The research found that the life of the hub bearing was fully satisfied with the need of landing gear performance.

[Key words]land gear hub-bearing; equivalent load; reliability; basic/adjusted rating life

中圖分類號：V226

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A