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        常幅載荷下滑軌與滾輪壽命及可靠性研究

        2016-07-26 01:05:20王浩郭蘭中林化清楊蘭玉
        軸承 2016年10期
        關(guān)鍵詞:滑軌游隙磨損量

        王浩,郭蘭中,林化清,楊蘭玉

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械學(xué)院,江蘇 蘇州 215500)

        飛機(jī)襟翼收放系統(tǒng)中,磨損是造成系統(tǒng)機(jī)械故障的主要原因[1-2]?;壓蜐L輪是襟翼收放機(jī)構(gòu)的重要運(yùn)動(dòng)副,兩者之間的磨損不僅改變各自的尺寸精度,也會(huì)改變運(yùn)動(dòng)副間的配合尺寸以及配合精度,降低運(yùn)動(dòng)精度或者出現(xiàn)動(dòng)作不協(xié)調(diào),嚴(yán)重影響飛機(jī)的可靠性。當(dāng)磨損超過(guò)一定限度時(shí),就有可能影響襟翼的準(zhǔn)確收放,造成兩側(cè)襟翼開(kāi)度不一致或發(fā)生機(jī)械卡阻,危及飛行安全。因此,研究襟翼收放機(jī)構(gòu)中滑軌與滾輪之間的磨損及其可靠性[3],對(duì)確定其使用壽命,制定檢查周期、大修周期以及維修要求,保證飛行安全具有重要意義。大量的實(shí)踐表明,在軸承與滑軌組成的運(yùn)動(dòng)副中,軸承的磨損失效是導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)動(dòng)副乃至整個(gè)機(jī)構(gòu)的失效的主要原因,因此將以襟翼收放系統(tǒng)中的軸承為中心進(jìn)行研究。

        1 滾動(dòng)軸承磨損壽命的理論計(jì)算

        磨損失效指表面之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生失效。持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞,并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其他相關(guān)問(wèn)題。磨損會(huì)影響形狀變化,配合間隙增大及工作表面形貌變化,影響潤(rùn)滑劑或使其污染達(dá)到一定程度造成潤(rùn)滑功能完全喪失,最終使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度乃至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。磨損失效是各類(lèi)軸承常見(jiàn)的失效形式之一。

        滾動(dòng)軸承磨損壽命是指軸承在使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)間的增加,軸承由于過(guò)量磨損而喪失正常工作性能的累計(jì)總轉(zhuǎn)數(shù),或在一定轉(zhuǎn)速下的工作小時(shí)數(shù)。

        由于軸承磨損規(guī)律復(fù)雜, 磨損壽命尚無(wú)完善的計(jì)算方法, 通常用徑向游隙的增量來(lái)表示軸承的磨損量, 根據(jù)許用磨損系數(shù)進(jìn)行估算,最終得到滾動(dòng)軸承的磨損壽命計(jì)算公式為[4,5]

        Lw=50(0.61lnλ+0.656)×10fv×60n,

        (1)

        式中:Lw為軸承磨損壽命;λ為軸承工作時(shí)的最小油膜系數(shù);fv為軸承許用磨損系數(shù);V為軸承的許用徑向游隙增量;e0為磨損率;n為軸承轉(zhuǎn)速。

        2 滾動(dòng)軸承磨損壽命的點(diǎn)估計(jì)

        實(shí)踐表明,大量機(jī)械設(shè)備中傳動(dòng)系統(tǒng)的失效大部分是由于滾動(dòng)軸承疲勞磨損而引起的。大量試驗(yàn)和分析證明,壽命服從正態(tài)分布。已知分布形式,即可從樣本出發(fā),求出未知參數(shù)的估計(jì)。

        參數(shù)估計(jì)可分為點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì),現(xiàn)采用點(diǎn)估計(jì),即總體ξ分布的形式已知,分布參數(shù)θ1,θ2,…,θm(如正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差)未知,從樣本(X1,X2,…,Xn)出發(fā),求出m個(gè)統(tǒng)計(jì)量,作為未知參數(shù)θ1,θ2,…,θm的估計(jì)[6]。

        正態(tài)分布均值的點(diǎn)估計(jì)為

        (2)

        標(biāo)準(zhǔn)差的點(diǎn)估計(jì)為

        (3)

        在指定可靠度R下,可靠壽命的點(diǎn)估計(jì)為

        (4)

        式中:ZR按可靠度R查表1確定。

        表1 ZR與可靠度R的關(guān)系[8]

        3 試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

        試驗(yàn)設(shè)備為自制的往復(fù)式多用途摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),示意圖如圖1所示。整個(gè)裝置固定在立柱、壓梁和平臺(tái)組成的承力框架中,通過(guò)絲杠和壓力傳感器給固定摩擦副的上磨板和車(chē)式下磨板施加徑向載荷Fr,聯(lián)體式電磁可調(diào)電動(dòng)機(jī)通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使下磨板做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該試驗(yàn)機(jī)可一次同時(shí)安裝4套軸承及2個(gè)與之配對(duì)的滑軌(圖2),不僅可以提高試驗(yàn)效率,也可保證試驗(yàn)條件的一致性,從而有效地減小試驗(yàn)誤差,提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

        圖1 試驗(yàn)設(shè)備原理圖

        1—滑軌1;2—軸承1;3—軸承2;4—軸承4;5—軸承3;6—滑軌2

        為使試驗(yàn)結(jié)果盡可能符合實(shí)際情況,上磨塊為36102軸承,材料為GCr15,寬度B=9 mm,內(nèi)徑d=15 mm,外徑D=32 mm,接觸角α=15°,額定動(dòng)載荷Cr=4.5 kN。下磨塊(滑軌)材料為40CrNiMoA,結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

        圖3 下磨塊結(jié)構(gòu)尺寸圖

        3.2 試驗(yàn)方法

        文獻(xiàn)[8-9]在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí),觀察到存在不失效壽命。所以,考慮到滾動(dòng)軸承在試驗(yàn)中可能出現(xiàn)無(wú)限壽命的情況,即存在一個(gè)極限載荷,低于該載荷,軸承便不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞,滾動(dòng)疲勞磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)為常幅定數(shù)截尾試驗(yàn),即當(dāng)4套滾動(dòng)軸承試樣中有3套失效即停止試驗(yàn)。試驗(yàn)示意圖如圖4所示。

        圖4 試驗(yàn)示意圖Fig.4 Diagram of test

        試驗(yàn)時(shí),加載裝置通過(guò)上磨板施加4 000 N的徑向載荷,由于結(jié)構(gòu)尺寸的對(duì)稱(chēng)性,每套軸承承受1 000 N的徑向載荷。載荷通過(guò)壓力傳感器以及與其相連接的標(biāo)準(zhǔn)載荷測(cè)量?jī)x(準(zhǔn)確度<0.005%FS,溫度系數(shù)<5×106,A/D轉(zhuǎn)換速率>50次/s)控制。通過(guò)聯(lián)體式電磁可調(diào)電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速,調(diào)速范圍為200~1 400 r/min,轉(zhuǎn)速比i=80,輸出的轉(zhuǎn)速為2.5~17.5 r/min,試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速為7 r/min。試驗(yàn)部件的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

        表2 部件材料的力學(xué)性能

        軸承失效的判定:在試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)軸承出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)精度降低,最終無(wú)法正常工作時(shí),視為該軸承磨損失效。

        采用外圓千分尺測(cè)量軸承的磨損量,即為原始尺寸與相互垂直的2個(gè)直徑方向上測(cè)量值的平均值之差;采用深度千分尺測(cè)量滑軌的磨損量,取整個(gè)磨損表面均勻分布的9個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值。

        3.3 結(jié)果與分析

        軸承失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)見(jiàn)表3,其磨損量與壽命曲線如圖5所示。由于試驗(yàn)機(jī)一次循環(huán)軸承滾動(dòng)距離為520 mm,而軸承外徑為32 mm,通過(guò)計(jì)算可得,一個(gè)循環(huán)即曲柄旋轉(zhuǎn)一周,軸承轉(zhuǎn)數(shù)為5.18 r。滑軌的磨損量與壽命曲線如圖6所示。軸承和滑軌平均磨損量對(duì)比如圖7所示。

        圖5 軸承磨損量與壽命曲線

        圖6 滑軌磨損量與壽命曲線

        圖7 軸承與滑軌平均磨損量對(duì)比

        由表3可知,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到43 965次(軸承轉(zhuǎn)數(shù)為227 739 r)時(shí),有3套軸承失效。因此可初步認(rèn)為,在相同工作條件下,36102軸承的可靠工作壽命不會(huì)超過(guò)227 739 r。

        表3 滾動(dòng)軸承失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)

        由圖5和圖7可知,軸承磨損量擬合曲線的左端延長(zhǎng)線距離坐標(biāo)原點(diǎn)很近,說(shuō)明該軸承在投入工作后,基本沒(méi)有磨合期,一開(kāi)始就處于比較穩(wěn)定的磨損狀態(tài),且磨損量的擬合曲線斜率很小,表明在相同循環(huán)次數(shù)下增加的磨損量比滑軌小。這是由于航空滾動(dòng)軸承的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量均較高。

        由圖6和圖7可知,滑軌存在比較明顯的磨合期,范圍大致在3 000次循環(huán),此時(shí)磨損量達(dá)到0.015 mm,然后穩(wěn)定增加,但磨損量擬合曲線初始階段斜率較大,表明在相同循環(huán)次數(shù)下增加的磨損量比滾動(dòng)軸承大。

        由此可知,在滾動(dòng)軸承與滑軌組成的摩擦副中,滑軌磨損量比軸承大。

        4 滾動(dòng)軸承理論磨損壽命和試驗(yàn)壽命對(duì)比分析

        已知:根據(jù)軸承的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),將該軸承的許用徑向游隙增量定為徑向游隙的20%,該軸承接觸角為15°,徑向游隙為13.9 μm,即增量V為2.78 μm,磨損率e0取為1.2 μm,這樣該軸承許用磨損系數(shù)fv取值約2.316 ,又經(jīng)計(jì)算,軸承工作時(shí)最小油膜系數(shù)λ=6.77,代入(1)式可得軸承壽命Lw=5.05×106r。

        比較軸承理論壽命(5.05×106r)和根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的壽命點(diǎn)估計(jì)(2.10×105r)可知,前者是后者的24倍。軸承壽命非常離散,一批結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、加工方法均相同的軸承在相同工況下,其最高和最低壽命有可能相差幾十倍甚至更多[4,10],原因?yàn)椋?/p>

        1)滾動(dòng)軸承磨損壽命計(jì)算方程都是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上的。試驗(yàn)時(shí)軸承內(nèi)圈相對(duì)于軸、外圈相對(duì)于軸承座無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),僅內(nèi)、外圈之間通過(guò)鋼球發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),且通過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑[11],并通過(guò)調(diào)整潤(rùn)滑油流速控制試驗(yàn)溫度。而本試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,除了內(nèi)、外圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以外,外圈對(duì)于滑軌有相對(duì)運(yùn)動(dòng),且采用油脂潤(rùn)滑,無(wú)法對(duì)試驗(yàn)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制,運(yùn)動(dòng)形式和工作環(huán)境較為復(fù)雜。

        2)在滾動(dòng)軸承磨損壽命計(jì)算方程中,V,e0,fv,λ對(duì)計(jì)算結(jié)果影響大。在計(jì)算過(guò)程中,λ與e0可以通過(guò)一定的估算得到,而徑向游隙的增量V則定為徑向游隙的20%,該值是根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)得出,可能存在一定的誤差。若要使?jié)L動(dòng)軸承磨損壽命計(jì)算方程的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相吻合,可對(duì)V,λ,e0的取值問(wèn)題進(jìn)行更進(jìn)一步的深入研究,并給出具有可操作性的取值原則。

        由于影響滾動(dòng)軸承壽命的因素復(fù)雜,磨損壽命理論仍需進(jìn)一步完善。本試驗(yàn)屬于模擬臺(tái)架試驗(yàn),由于樣本較少,基于正態(tài)分布的可靠壽命點(diǎn)估計(jì)的誤差不容忽視,但4套軸承中有3套均在2×105r以后失效,可以認(rèn)為通過(guò)試驗(yàn)確定的壽命的點(diǎn)估計(jì)是可信的,同時(shí)也說(shuō)明理論計(jì)算公式還存在一定缺陷。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)試驗(yàn)研究了常幅載荷下滾動(dòng)軸承與滑軌的疲勞磨損行為,并采用滾動(dòng)軸承磨損壽命計(jì)算方程計(jì)算其理論壽命,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)給定可靠度為0.99時(shí)的軸承壽命進(jìn)行了估計(jì)。由試驗(yàn)結(jié)果可知,高精度滾動(dòng)軸承磨損量基本隨時(shí)間呈線性關(guān)系,沒(méi)有明顯的磨合階段;而滑軌則存在明顯磨合階段。這是由二者精度和表面質(zhì)量不同所致。軸承理論壽命和根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的壽命的點(diǎn)估計(jì)存在較大差異,這是由系數(shù)V,λ,e0取值的模糊性造成的。

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