袁軍社，趙長安，楊孟博，王 婷

(西安航天動力研究所 液體火箭發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710100)

0 引言

運載火箭飛行過程中，為實現(xiàn)箭體姿態(tài)控制，要求發(fā)動機能夠提供推力矢量控制。在研的大推力液體火箭發(fā)動機大都使用創(chuàng)新設(shè)計的常平環(huán)，采用潤滑性能良好且能自動調(diào)心的軸承作為搖擺關(guān)節(jié)，在伺服機構(gòu)控制下驅(qū)動推力方向繞軸承變化，使得發(fā)動機具備單擺、雙擺功能，從而實現(xiàn)箭體俯仰、偏航和滾動三維控制。在此過程中，軸承徑向往往要承受較大的發(fā)動機推力載荷，搖擺時其軸向還要承受一定的推力分量和慣性載荷，此外還要在伺服機構(gòu)系統(tǒng)控制下完成一定角度的往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，載荷環(huán)境十分嚴(yán)酷。其靜態(tài)承載能力及疲勞壽命直接決定發(fā)動機工作可靠性，軸承摩擦系數(shù)直接影響伺服機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計，然而這些參數(shù)廠家均無法提供。因此，在實際飛行前必須通過地面試驗對其靜態(tài)承載裕度和疲勞壽命進(jìn)行考核。

通過地面試驗對軸承進(jìn)行靜態(tài)承載和低速搖擺特性研究，國內(nèi)外也有相關(guān)報告和研究成果。如美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-B-81819 對低速擺動關(guān)節(jié)軸承的性能要求和試驗方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，后來頒布的AS 81820也是適用于關(guān)節(jié)軸承的低速擺動試驗要求。但由于技術(shù)保密等原因，已有文獻(xiàn)多僅有對試驗機原理的簡單介紹。Sliney、Kim等利用采用氣壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動關(guān)節(jié)軸承實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)擺動，液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載，證明了新工藝的合理性。姜韶峰等采用直流電機+曲柄擺桿機構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承的低速擺動。呂新圃等采用異步電機帶動曲柄擺桿機構(gòu)實現(xiàn)擺動運動，采用杠桿砝碼進(jìn)行加載。洪富岳等設(shè)計出一種關(guān)節(jié)軸承壽命試驗機，用于研究大直徑、受重載的關(guān)節(jié)軸承的磨損壽命。邸世勇采用螺旋擺動液壓缸設(shè)計了一種關(guān)節(jié)軸承試驗機，可以將搖擺頻率提高到5 Hz。宋云峰等研制出一種試驗機，該機采用變頻調(diào)速電機帶動曲柄擺桿機構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承的擺動，通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和擺桿長度實現(xiàn)對擺動頻率和擺動角度的調(diào)節(jié)。國內(nèi)的洛軸、貴州虹山等也都設(shè)計出了類似試驗機。總結(jié)其主要特點為：軸向徑向最大加載能力600 kN；不具備施加較大軸向載荷能力；單次試驗只能安裝1個軸承；設(shè)備復(fù)雜、造價高；通用性不強。

鑒于火箭發(fā)動機搖擺用軸承服役環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，需要研究新的試驗方法，本文以某大推力液體火箭發(fā)動機為例，設(shè)計了一種新的軸承搖擺試驗方法，并通過試驗驗證了軸承在各種工況下的承載能力、疲勞壽命及摩擦系數(shù)，該方法可推廣應(yīng)用至更大推力及可重復(fù)使用發(fā)動機軸承的搖擺試驗。

1 邊界及受載分析

1.1 安裝邊界

某大推力火箭發(fā)動機搖擺用軸承安裝于常平座，主要用于傳遞推力和作為發(fā)動機搖擺中心。發(fā)動機工作時，推力室產(chǎn)生的軸向推力經(jīng)兩側(cè)推力室支耳傳遞給常平座軸承，再依次通過常平座、機架將推力傳遞給箭體。伺服機構(gòu)一端鉸接于機架，另一端鉸接于推力室身部，在高壓煤油作用下驅(qū)動伺服機構(gòu)活塞桿推動推力室身部，使得推力室繞常平座軸承擺動，最終實現(xiàn)發(fā)動機搖擺。軸承安裝位置如圖1所示。

圖1 軸承安裝位置示意圖Fig.1 The installation location of bearing in rocket engine

軸承在發(fā)動機中的安裝方式為：軸承外圈間隙配合安裝于常平座內(nèi)孔，一端緊貼內(nèi)孔凸臺，另一端被擋蓋壓緊，壓緊力來源于螺栓與常平座的螺紋連接，保證軸承外圈為固支約束狀態(tài)；內(nèi)圈與推力室支耳或常平座搖擺軸間隙配合，鎖緊螺母將軸承內(nèi)圈貼緊于推力室支耳或常平座搖擺軸凸臺。軸承模型及安裝方式如圖2所示。

圖2 軸承模型及安裝邊界示意圖Fig.2 The drawing of real installation mode

1.2 受載方式

通常情況下，發(fā)動機常平座分別在對稱位置安裝4個軸承，其中2個軸承安裝于常平座自帶軸，2個軸承安裝于推力室支耳，其實際受載方式為：推力通過推力室支耳或常平座搖擺軸沿軸承徑向施加于軸承內(nèi)圈；推力分量和慣性載荷產(chǎn)生的軸向載荷通過推力室支耳或常平座搖擺軸凸臺沿軸向施加于軸承內(nèi)圈。根據(jù)發(fā)動機工作狀態(tài)可將軸承受載情況分為3種：不擺(固定)狀態(tài)、單擺狀態(tài)和雙擺狀態(tài)。軸承實際安裝位置及受載示意圖如圖3所示。

圖3 軸承實際安裝位置及受載分析Fig.3 The real installation location and loaded analysis of bearing

1.2.1 不擺狀態(tài)

圖3(a)為發(fā)動機不擺狀態(tài)即固定狀態(tài)，推力室產(chǎn)生的推力由單擺常平座的搖擺軸傳遞到軸承，推力方向始終與推力室初始安裝軸向一致，推力對軸承無軸向分量，存在橫線慣性載荷，軸承只需進(jìn)行靜態(tài)承載能力研究。

1.2.2 單擺狀態(tài)

發(fā)動機單擺狀態(tài)軸承安裝及受載示意圖如圖3(b)所示。發(fā)動機進(jìn)行單向推力矢量調(diào)節(jié)，軸承安裝形式與不擺狀態(tài)一致，軸承只在承受靜態(tài)的徑向載荷和軸向慣性載荷的基礎(chǔ)上，同時進(jìn)行一定角度的低速擺動。

1.2.3 雙擺狀態(tài)

雙擺狀態(tài)安裝形式如圖3(c)所示。推力室產(chǎn)生的推力由搖擺軸軸承傳遞到雙擺常平環(huán)，推力經(jīng)常平環(huán)自帶軸最終傳遞至機架。因此，當(dāng)發(fā)動機雙擺狀態(tài)擺圓進(jìn)行推力矢量調(diào)節(jié)時，推力室搖擺軸軸承始終受徑向推力，與單擺狀態(tài)一致；常平座自帶軸軸承徑向除了承受推力載荷，同時承受推力分量和慣性載荷帶來的軸向載荷，并進(jìn)行低速擺動。

按照以上分析，若發(fā)動機按照角度擺圓時，發(fā)動機推力、推力室搖擺軸軸承轉(zhuǎn)動角度、自帶軸軸承轉(zhuǎn)動角度、推力產(chǎn)生的自帶軸軸承軸向力間存在如下關(guān)系：

(1)

(2)

將式(2)繪成曲線見圖4?？梢钥闯觯喊l(fā)動機雙擺時，自帶軸軸承軸向力隨著自帶軸軸承轉(zhuǎn)動角度的增加逐漸減小。

圖4 自帶軸軸承軸向力與軸承搖擺角度關(guān)系曲線Fig.4 The relation between axial load of bearing in coming with axis and swing angle

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 邊界模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱思想模擬軸承在發(fā)動機常平座的安裝邊界，采用“雙試驗軸承+雙工藝軸承”方法，整體設(shè)計軸承低速搖擺試驗系統(tǒng)的載荷邊界，主要由上拉板、下拉板、輔助軸、加載板、搖擺軸、擋圈、擋環(huán)、鎖緊螺母、軸承等組成。通過上下對稱設(shè)計實現(xiàn)軸承徑向載荷的同步施加，通過對稱實現(xiàn)軸承軸向載荷的同步施加。模擬示意圖如圖5所示。

圖5 軸承實際安裝方式及載荷邊界模擬示意圖Fig.5 The drawing of load boundary simulation

主要設(shè)計思路為：下拉板中心設(shè)計并列安裝兩個工藝軸承，兩端擋環(huán)壓緊工藝軸承外圈，將軸承外圈固定于下拉板內(nèi)；兩側(cè)上拉板下端對稱布置2個試驗軸承，上拉板一側(cè)預(yù)設(shè)凸臺模擬常平座凸臺，另一端通過擋環(huán)壓緊試驗軸承外圈，模擬常平座的軸承擋蓋；搖擺軸穿過上述4個工藝軸承和試驗軸承的內(nèi)圈，軸承之間設(shè)計墊環(huán)使得內(nèi)圈接觸，搖擺軸一端設(shè)計凸臺約束軸承內(nèi)圈，另一端通過鎖緊螺母夾緊工藝軸承和試驗軸承內(nèi)圈，確保4個軸承可以同時轉(zhuǎn)動；兩側(cè)上拉板上端對稱設(shè)置2個輔助軸承，軸承安裝方式與試驗軸承一致，中心通過輔助軸穿過內(nèi)圈和加載板。

2.2 載荷模擬

根據(jù)前述對于軸承邊界模擬的設(shè)計方法，系統(tǒng)上下方向施加載荷將作用于6個軸承的徑向，每個軸承受到的徑向載荷均為1/2，左右兩側(cè)上拉板中心施加水平載荷將作用于輔助軸承和試驗軸承的外圈，每個軸承受到的載荷為1/2。載荷施加方式如圖6所示。

圖6 加載方式模擬示意圖Fig.6 The drawing of loadding mode

其加載方式具體為：徑向加載模塊通過液壓作動筒將載荷作用于輔助軸，輔助軸將載荷傳遞給兩側(cè)輔助軸承內(nèi)圈，依次經(jīng)上拉板、搖擺軸將載荷施加于試驗軸承和工藝軸承，最終與地面承力點(徑向載荷約束)連接的下拉板形成載荷平衡，實現(xiàn)徑向載荷施加；輔助軸承和工藝軸承外圈嵌入上拉板內(nèi)孔并靠擋圈壓緊，貼緊于上拉板內(nèi)孔凸臺，內(nèi)圈兩側(cè)由螺母夾緊，軸向載荷由兩側(cè)液壓作動器對稱施加于兩側(cè)拉板中心，拉板通過凸臺將載荷施加于輔助軸承和試驗軸承外圈，兩側(cè)拉板載荷始終平衡，實現(xiàn)軸向載荷施加。

2.3 搖擺設(shè)計

摩擦系數(shù)測量的前提是實現(xiàn)軸承的低速往復(fù)運動，因此采用伺服作動器驅(qū)動安裝于搖擺軸兩端搖擺臂的方式，如圖7所示。

圖7 驅(qū)動載荷施加示意圖Fig.7 The schematic drawing of driven load

其基本原理為：作動器一端鉸接于地面，活塞桿通過鉸接軸承帶動驅(qū)動桿運動，驅(qū)動桿運動經(jīng)鉸接軸承驅(qū)動兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱的搖擺臂繞搖擺軸轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)試驗軸承和工藝軸承往復(fù)運動。因此，測量伺服作動器搖擺時的輸出載荷獲得搖擺力矩，進(jìn)而得到摩擦系數(shù)。

測量的基本思路為：首先進(jìn)行只施加徑向載荷的試驗，得到試驗軸承和工藝軸承(相當(dāng)于4個工藝軸承)伺服驅(qū)動力，軸承只承受徑向載荷時滿足

=4

(3)

式中：為軸承轉(zhuǎn)動軸半徑；為擺臂長；為軸承徑向載荷；為軸承只承受徑向載荷摩擦系數(shù)；為搖擺驅(qū)動力。

然后，對系統(tǒng)同時施加軸、徑向載荷，由于工藝軸承只承受徑向載荷，其摩擦力矩通過式(3)直接得出2。為便于表述定義軸承軸向、徑向載荷作用下的摩擦力矩和摩擦系數(shù)只與徑向載荷相關(guān)，定義其為等效摩擦系數(shù)，摩擦力矩為2。此時測得的摩擦力矩′與摩擦系數(shù)之間滿足

′=2+2

(4)

通過獲得的摩擦力矩式(3)和式(4)即可分別求得軸承承受徑向載荷的摩擦數(shù)和同時承受軸向、徑向載荷下的等效摩擦數(shù)。

3 應(yīng)用實例

針對某大推力液體火箭發(fā)動機搖擺軸承研究需求，軸承徑向受載0～500 kN，軸向載荷0～300 kN，最大搖擺角度±5°，軸承試驗系統(tǒng)如圖8所示。利用系統(tǒng)該軸承進(jìn)行了靜態(tài)承載及搖擺壽命試驗(見圖8)，獲得了軸承靜態(tài)承載能力、疲勞壽命和摩擦系數(shù)。

圖8 軸承載荷試驗系統(tǒng)Fig.8 The schematic drawing of driven load

當(dāng)加載至920 kN時軸承外圈斷裂，發(fā)生破壞，其靜態(tài)承載安全系數(shù)大于實際使用載荷的1.8倍。搖擺壽命試驗時，分別按照單擺狀態(tài)和雙擺狀態(tài)的額定載荷施加，單擺狀態(tài)經(jīng)過2 500次搖擺后試驗軸承仍然完好，高于250次的使用要求；雙擺狀態(tài)工況經(jīng)過2 500次搖擺后試驗軸承完好，高于250次的使用要求。搖擺壽命試驗時，通過測得的驅(qū)動力計算得到摩擦系數(shù)：單擺狀態(tài)摩擦系數(shù)始終穩(wěn)定在0.045左右；雙擺狀態(tài)下，相同軸向載荷的等效摩擦系數(shù)隨著徑向載荷增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，240 kN、160 kN、100 kN軸向載荷時等效摩擦數(shù)分別在0.08、0.072、0.06。相同徑向載荷的等效摩擦系數(shù)隨著軸向載荷增加而變大，試驗結(jié)果見圖9。

圖9 軸承等效摩擦系數(shù)結(jié)果Fig.9 The measuring results of equivalent friction coefficient

4 結(jié)論

1)針對大推力液體火箭發(fā)動機搖擺用軸承服役環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，采用“雙試驗軸承+雙工藝軸承”的設(shè)計方法，設(shè)計了一種新的軸承試驗方法，該方法基于結(jié)構(gòu)對稱思想，考慮不同部位軸承安裝和受載形式同時模擬發(fā)動機不擺、單擺及雙擺狀態(tài)軸承的實際受載方式，準(zhǔn)確模擬了軸承在發(fā)動機上的安裝和受載方式，突破了軸承大載荷環(huán)境下靜態(tài)承載和疲勞壽命試驗無法實現(xiàn)的技術(shù)瓶頸。

2)利用該系統(tǒng)順利完成了某大推力液體火箭發(fā)動機搖擺軸承的靜態(tài)承載及搖擺壽命試驗研究，成功獲得了軸承的靜態(tài)承載裕度及疲勞壽命，并得到了軸承工作載荷下的摩擦系數(shù)，為伺服機構(gòu)系統(tǒng)提供了重要設(shè)計參數(shù)。該方法真實模擬了大推力液體火箭發(fā)動機的軸承使用環(huán)境，為其他同類需求的軸承試驗研究奠定基礎(chǔ)。