曾春祥

(1.福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司，福建 漳州 363000；2.福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 漳州 363000)

某飛機(jī)主起落架通過關(guān)節(jié)軸承安裝在機(jī)翼交點(diǎn)上，該部位關(guān)節(jié)軸承要求具有較高的軸向承載能力，以往該部位關(guān)節(jié)軸承選用帶裝配槽關(guān)節(jié)軸承，該類型產(chǎn)品軸向承載能力低，潤(rùn)滑不充分，摩擦磨損性能差，無法滿足本機(jī)型起落架交點(diǎn)工況要求。為此，需針對(duì)該工況設(shè)計(jì)具有高軸向承載、耐磨損的新型軸承并開展研制、試驗(yàn)，以滿足該起落架實(shí)際工況[1-2]要求。

1 安裝部位工況及傳統(tǒng)起落架軸承使用情況

某飛機(jī)主起落架通過軸承安裝在機(jī)翼交點(diǎn)上(見圖1)，起落架落地時(shí)該部位軸承軸向靜承載要求為120 kN，起落架收放時(shí)徑向動(dòng)承載為293 kN(旋轉(zhuǎn)角度在±60°，全壽命周期7 500次)，軸承軸向靜承載折算成單位承載應(yīng)力值為180 MPa(傳統(tǒng)軸承單位承載應(yīng)力值為120～150 MPa)，徑向動(dòng)承載工況根據(jù)行程軌跡折算為在徑向動(dòng)承載應(yīng)力值120 MPa[3](傳統(tǒng)軸承徑向動(dòng)承載應(yīng)力值<100 MPa)、擺動(dòng)角度±25°下完成22 000次磨損。

飛機(jī)起落架傳統(tǒng)使用的關(guān)節(jié)軸承為帶裝配槽型產(chǎn)品，如某飛機(jī)起落架軸承使用的軸承代號(hào)為GE35，該軸承外圈存在裝配槽，裝配槽會(huì)減少外圈的接觸面積，減弱軸承的軸向和徑向的動(dòng)、靜承載能力，裝配槽由于應(yīng)力的存在還會(huì)降低零件強(qiáng)度。同時(shí)該類軸承摩擦副材質(zhì)為金屬對(duì)金屬，內(nèi)外圈球面精度通過機(jī)械加工來保證，外圈球面曲率R難控制，內(nèi)外圈球面配合時(shí)精度差，摩擦磨損時(shí)潤(rùn)滑脂難以均勻覆蓋軸承球面，容易造成軸承局部存在粘著磨損，從而使整個(gè)軸承失效。使用單位進(jìn)行飛機(jī)地面維護(hù)時(shí)均發(fā)現(xiàn)軸承存在局部超粘著磨損痕跡(見圖2)，故障軸承起落次數(shù)在600～1 000次不等。

圖1 起落架關(guān)節(jié)軸承安裝部位示意圖

圖2 失效軸承照片

通過對(duì)本主起落架與機(jī)翼交點(diǎn)軸承工況計(jì)算，結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)起落架軸承使用情況分析，傳統(tǒng)起落架關(guān)節(jié)軸承不適合在本起落架交點(diǎn)中使用，需要重新設(shè)計(jì)具備高軸向承載、耐磨損的新型軸承。

2 新型軸承研制

2.1 新型軸承設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1.1 新型軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過分析，采用擠壓方案可保證球面的完整承載面積，能夠最大程度地保證軸承的動(dòng)、靜承載能力，為解決傳統(tǒng)起落架軸承使用過程中因潤(rùn)滑不充分而出現(xiàn)的局部粘著磨損現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)在外圈內(nèi)球面添加一層具有一定彈性的自潤(rùn)滑襯墊，通過擠壓方法將其均勻地配合在內(nèi)外圈球面上，使關(guān)節(jié)軸承能夠?qū)崿F(xiàn)工作球面全潤(rùn)滑，能夠解決局部粘著磨損問題。為滿足高軸向承載能力，在軸承的一端設(shè)計(jì)了一定厚度的法蘭，因此，新型軸承方案最終設(shè)計(jì)成大法蘭單邊擠壓自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。

2.1.2 新型軸承外形尺寸設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)軸承的承載能力與法蘭有關(guān)，還跟軸承的球徑、寬度、外徑有著直接的關(guān)聯(lián)，在接口限制條件(見表1)下，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和有限元仿真分析，經(jīng)過對(duì)球徑和寬度比值、球徑和厚度比值計(jì)算和仿真多輪優(yōu)化，帶法蘭單邊擠壓新型軸承外形尺寸最終設(shè)計(jì)成如圖3所示。

表1 外形接口限制條件

圖3 新型軸承結(jié)構(gòu)外形圖

2.1.3 新型軸承潤(rùn)滑襯墊選擇

帶法蘭單邊擠壓新型軸承在摩擦副方面選用了自潤(rùn)滑型，自潤(rùn)滑襯墊主要有2種：一種為PTFE織物[4-5]；另一種為PTFE復(fù)合材料。由于PTFE織物襯墊比PTFE復(fù)合材料具有更高的動(dòng)、靜承載能力和更高的使用壽命，因此選用PTFE織物作為新型軸承的自潤(rùn)滑襯墊(見圖4)。

圖4 PTFE織物襯墊

2.1.4 新型軸承機(jī)體材料選擇

材料方面，考慮高強(qiáng)度和耐沖擊要求，內(nèi)圈選用PH13-8Mo沉淀硬化不銹鋼，外圈選用0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼，主要參數(shù)見表2。這些材料在硬度上不如軸承鋼，但具有高韌性、耐腐蝕的特點(diǎn)，更適合起落架沖擊工況。在軸承工作表面鍍鉻，改善表面硬度，提高耐磨性能。

表2 新研軸承材料參數(shù)

2.1.5 新型軸承承載應(yīng)力分析

應(yīng)力分析方面，應(yīng)用Abaqus軟件分析新型軸承在軸向額定靜載荷120 kN下的應(yīng)力分布情況，軸向加載仿真示意圖如圖5所示，軸向加載仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6可知，在軸向額定載荷下，裝配體最大應(yīng)力為410.8 MPa，整體應(yīng)力分布合理；由圖7可知，內(nèi)圈最大等效應(yīng)力為246.5 MPa[6-7]，位于內(nèi)倒角處，小于材料的屈服強(qiáng)度1 310 MPa；由圖8可知，外圈最大等效應(yīng)力為518.4 MPa，位于外圈法蘭切邊處根部倒角處，小于材料的屈服強(qiáng)度725 MPa，且有一定的安全裕度，滿足要求。

圖5 新型軸承軸向加載示意圖

圖6 新型軸承在軸向額定載荷的應(yīng)力分布(單位為MPa)

圖7 新型軸承內(nèi)圈在軸向額定載荷的應(yīng)力分布(單位為MPa)

圖8 新型軸承外圈在軸向額定載荷的應(yīng)力分布(單位為MPa)

2.2 新型軸承工藝技術(shù)研究

本產(chǎn)品屬于單邊擠壓型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，擠壓過程需要探究軸承外圈的成型過程、規(guī)律和應(yīng)力對(duì)比結(jié)果[8]。擠壓技術(shù)要求比標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)軸承采用的雙邊擠壓更加嚴(yán)格。因此，工藝技術(shù)難點(diǎn)為精密擠壓技術(shù)。

針對(duì)上述工藝技術(shù)難點(diǎn)擬采用下列措施來保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1)根據(jù)以往產(chǎn)品的研制經(jīng)驗(yàn)，確定初步的擠壓坯料尺寸和模具形腔尺寸。

2)將采用仿真工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)擠壓型自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的成形規(guī)律進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。應(yīng)用數(shù)值仿真模擬技術(shù)對(duì)初步坯料尺寸和模具形腔尺寸進(jìn)行模擬驗(yàn)證，最后通過現(xiàn)場(chǎng)制造出的產(chǎn)品的性能檢測(cè)和試驗(yàn)來驗(yàn)證模擬結(jié)果，以進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3)在擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，借鑒以往已成功驗(yàn)證實(shí)施的雙動(dòng)雙定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免擠壓過程中內(nèi)圈與外圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最大程度上減少擠壓加工時(shí)內(nèi)圈與粘貼于外圈的自潤(rùn)滑襯墊的摩擦，從而減少自潤(rùn)滑襯墊因擠壓加工而產(chǎn)生的錯(cuò)位、過壓破損等缺陷。

2.3 新型軸承試驗(yàn)考核結(jié)果

2.3.1 軸向靜承載試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)新型軸承以1.2 kN/s的加載速率進(jìn)行軸向靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)過程加載曲線圖如圖9所示，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果永久變形量為0.015 mm，均小于規(guī)定值0.127 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型軸承能夠滿足起落架關(guān)節(jié)軸承軸向靜承載工況要求[9]。

圖9 軸向靜載荷試驗(yàn)加載曲線圖

2.3.2 徑向動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)新型軸承開展徑向動(dòng)磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：徑向動(dòng)載荷293 kN(120 MPa)、擺動(dòng)角度±25°下完成25 000次磨損，動(dòng)態(tài)磨損過程磨損量試驗(yàn)曲線如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)磨損量為0.066 mm，小于規(guī)定值0.114 3 mm要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型軸承能夠滿足起落架關(guān)節(jié)軸承徑向動(dòng)承載工況要求[10-11]。

圖10 徑向動(dòng)態(tài)磨損試驗(yàn)曲線圖

除模擬起落工況試驗(yàn)外，新型軸承還根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)單位要求，完成了25 000次高溫、低溫、常溫磨損以及濕熱、鹽霧、淋雨試驗(yàn)，并裝機(jī)試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，新型軸承可以滿足使用要求。

3 結(jié)語

本文研制了一種大法蘭單邊擠壓自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。研制后經(jīng)試驗(yàn)表明，新型軸承可以滿足飛機(jī)起落架高軸向承載、耐磨損工況的要求。經(jīng)飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、使用單位確認(rèn)后，目前已完成裝機(jī)。