葉 開 章 華 雷少保

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所，天津 300000）

0 引言

現(xiàn)階段直升機(jī)主槳轂常用構(gòu)型有鉸接式、星形柔性、球柔性、彈性無鉸及無軸承等，相對來說，采用彈性元件為核心部件的星形柔性槳轂、球柔性槳轂、無鉸槳轂及無軸承槳轂具備結(jié)構(gòu)零件數(shù)目少，維護(hù)工作簡便等特點(diǎn)，但國內(nèi)仍然有一些型號、課題的旋翼采用金屬全鉸接槳轂構(gòu)型，需要保證其使用狀態(tài)。金屬全鉸接槳轂須具備揮舞鉸，擺振鉸和變距鉸，分別用于主槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動，其中變距鉸常常被稱作軸向鉸，由成組的金屬軸承進(jìn)行相對軸頸的周向轉(zhuǎn)動。

與普通金屬軸承的使用工況相比，直升機(jī)槳轂用金屬軸承處于高頻小擺角的工作環(huán)境，承擔(dān)更惡劣的工作環(huán)境，更加容易發(fā)生保持架及滾子、滾道的損傷問題。

某課題旋翼風(fēng)洞試驗中，前飛速度20m/s時載荷監(jiān)控發(fā)現(xiàn)拉桿載荷急劇上升，關(guān)車檢查發(fā)現(xiàn)槳轂軸向鉸有卡滯現(xiàn)象，進(jìn)一步分解軸向鉸后發(fā)現(xiàn)推力軸承軸圈及保持架斷裂，嚴(yán)重影響課題任務(wù)進(jìn)展，因此必須盡快進(jìn)行問題定位及改進(jìn)優(yōu)化。

1 故障定位

該模型槳轂采用金屬全鉸接構(gòu)型，揮舞鉸和擺振鉸功能通過滾針軸承進(jìn)行，軸向鉸功能則由角接觸軸承（7009AC）、推力圓柱滾子軸承（81109）及深溝球軸承（6009）共同進(jìn)行，具體結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)生斷裂故障的推力軸承軸圈見圖2，推力軸承動態(tài)基本額定載荷為45kN，靜態(tài)基本額定載荷為153kN，額定轉(zhuǎn)速為2200r/min。

該模型槳轂初始設(shè)計階段對應(yīng)槳葉質(zhì)量為2.5kg，轉(zhuǎn)速1032r/min，離心力約為29.1kN。該課題為了縮減任務(wù)周期，未進(jìn)行新模型槳轂的設(shè)計和制造，經(jīng)強(qiáng)度初步評估后采用新狀態(tài)槳葉進(jìn)行試驗：槳葉質(zhì)量為4.2kg，轉(zhuǎn)速960r/min，離心力約為42.4kN，增長幅度達(dá)45%。

理論上，金屬全鉸接槳轂的揮舞、擺振載荷分別在揮舞鉸和擺振鉸處卸載，軸向鉸只承擔(dān)離心力載荷。復(fù)查該模型槳轂以往使用情況可知，該模型槳轂配裝不同槳葉進(jìn)行了地面臺架或風(fēng)洞試驗，其試驗科目以懸停狀態(tài)為主，期間若干次分解檢查軸向鉸未見推力軸承斷裂故障。該課題任務(wù)中，首先完成了21h的風(fēng)洞懸停試驗，未見異常。在進(jìn)行前飛速度21m/s運(yùn)轉(zhuǎn)不到2h后，載荷監(jiān)控觀察到拉桿載荷異常，進(jìn)而分解檢查發(fā)現(xiàn)推力軸承軸圈及保持架斷裂。根據(jù)上述信息，可以推斷模型槳轂在前飛狀態(tài)時，軸向鉸承受的彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸停狀態(tài)下的彎矩，導(dǎo)致了軸承結(jié)構(gòu)斷裂。

圖1 軸向鉸結(jié)構(gòu)

2 故障機(jī)理分析

2.1 擺動軸承

槳轂軸向鉸所用軸承需要考慮擺動運(yùn)動的特殊工況。軸承損壞的原因不僅包括離心力和彎矩，滾子受擺動振幅影響也會導(dǎo)致軸圈滾道局部磨損，從而形成凹痕甚至凹坑。擺動軸承軸圈滾道只有1個局部范圍與滾動體相接觸來承受壓力，如圖3所示。與普通軸承不同，其不向同一方向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而是在小振幅范圍內(nèi)來回擺動，工作條件非常惡劣。一般來說，擺動幅度小于10°時，擺動導(dǎo)致的摩擦磨損比較突出，而旋翼槳轂軸承擺動幅度一般都在10°以下，其中軸向鉸變距運(yùn)動約±（4°～6°）。

圖3 擺動軸承運(yùn)動范圍

2.2 潤滑狀態(tài)

滾子和軸圈接觸區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)摩擦腐蝕，它產(chǎn)生的鐵氧化物和潤滑劑混合后，會形成特殊的研磨混合劑，引起滾道迅速磨損。滾動體在軸圈接觸段邊界產(chǎn)生滾動方向的迅速變化，會導(dǎo)致潤滑劑來不及充滿全區(qū)域，潤滑效果差，同時又產(chǎn)生了導(dǎo)致加速磨損的壓力峰值。當(dāng)振幅很小時，潤滑層會出現(xiàn)經(jīng)常性的破壞，這時壓力峰值更大，軸承耐久性明顯下降，提高潤滑劑的流動性可以明顯改善擺動軸承的工作條件。

2.3 軸向鉸軸承布局

目前軸向鉸軸承組由1個角接觸軸承、1個圓柱滾子推力軸承和1個深溝球軸承構(gòu)成。理論上由圓柱滾子推力軸承承擔(dān)飛行時的槳葉旋轉(zhuǎn)帶來的離心力，而槳葉揮舞、擺振運(yùn)動帶來的彎矩主要由深溝球軸承和角接觸軸承承擔(dān)，但是受軸向鉸結(jié)構(gòu)尺寸限制，深溝球軸承和角接觸軸承間距有限，同時考慮深溝球軸承及角接觸軸承固有的徑向游隙，部分彎矩實(shí)際上須通過推力軸承承擔(dān)。推力軸承受損，先在保持架軸圈處發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，之后保持架的斷裂可以驗證該推斷，如圖4所示。因此，可以確認(rèn)目前該模型槳轂軸向鉸軸承布局存在缺陷，對懸停狀態(tài)，由于推力軸承附加彎矩有限，雖然潤滑狀態(tài)較差，承載能力仍然足夠，并不會導(dǎo)致軸承損傷；但是該課題換裝槳葉后，主槳葉質(zhì)量的增加導(dǎo)致離心力大幅提升，增加前飛狀態(tài)導(dǎo)致彎矩大幅增加，綜合作用下超出了軸承的承載極限，最終發(fā)生斷裂故障。

圖4 推力圓柱滾子軸承保持架損傷

3 改進(jìn)措施

結(jié)合上文的分析，提出4種改進(jìn)方法：第一，更改軸承保持架構(gòu)型；第二，改變軸承潤滑方式；第三，采用其它軸承布局；第四，更換高承載推力軸承。

3.1 改進(jìn)保持架構(gòu)型設(shè)計

目前各型號、課題使用的直升機(jī)旋翼滾動軸承，其保持架的架槽位置和軸承徑向沒有角度。原因在于設(shè)計可以通過軸承布置形式的改變或者加大單個軸承的承載能力來滿足實(shí)際機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)需求。對該文需滿足特殊需求的模型槳轂，這種同時有相當(dāng)?shù)恼駝铀胶拓?fù)載的機(jī)械，保持架需要另行制造成保持架槽和軸承徑向成小角度的構(gòu)造型式，從而使保持架隨著旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動在擺動時向一個方向緩慢移動，增加擺動軸承的壽命，如圖5所示。這種措施雖然可以提高擺動軸承負(fù)載水平，但是需要特殊制造，考慮到聯(lián)系生產(chǎn)廠家到重新進(jìn)行風(fēng)洞試驗的時間成本，暫時延續(xù)原先的保持架構(gòu)型設(shè)計。

3.2 將脂潤滑更改為油潤滑

由于擺動軸承自身小擺角高頻次的固有惡劣工況，所以潤滑劑對流動性的要求很高，改為循環(huán)油潤滑可以保證新鮮的未氧化的潤滑油不斷進(jìn)入接觸區(qū)，并把磨損殘渣從中排除。

考慮到實(shí)際工作條件，如果采用循環(huán)油潤滑需要設(shè)計相應(yīng)的潤滑油路，這需要對軸向鉸零件進(jìn)行重新設(shè)計，增加了設(shè)計難度及經(jīng)濟(jì)、周期成本，因此決定仍然采用潤滑脂。

圖5 保持架

3.3 改變軸承的布局型式

正如上文所提到的，該模型槳轂軸向鉸深溝球軸承及角接觸軸承對彎矩的承載有限，導(dǎo)致推力軸承在離心力和彎矩的共同作用下軸圈斷裂。理論上采取多列角接觸軸承可以更好地進(jìn)行離心力及彎矩的傳遞，降低軸承接觸應(yīng)力水平，如圖6所示。然而，若采用多列角接觸軸承，原軸套內(nèi)徑已不滿足安裝需求，需要重新進(jìn)行軸套等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和強(qiáng)度分析。因此，現(xiàn)階段對軸承的布局型式不考慮做調(diào)整。

圖6 包括多列角接觸軸承的軸向鉸

3.4 更換高承載推力軸承

基于目前的軸向鉸軸頸及軸套尺寸，保持推力軸承軸圈內(nèi)圈的直徑大小不變，適當(dāng)增加軸圈外圈直徑，增加軸承厚度，提高圓柱滾子推力軸承的基本額定載荷和疲勞載荷極限。這種不改變軸承布置的手段不需要進(jìn)行全新的強(qiáng)度分析，簡單迅速，可以解決推力軸承軸圈破裂的問題，具體更改方案見表1，更改后軸承布置見圖7。

3.5 實(shí)際采用方案和遠(yuǎn)期展望

圖7 更改后軸承布置

綜合考慮以上解決方案，對現(xiàn)階段試驗工作來說，選擇增大推力軸承承載能力的措施可以滿足當(dāng)下需求。但是，這雖然有助于試驗工作的推進(jìn)，但是對長期的設(shè)計改進(jìn)來說，略顯倉促和不足。如果日后設(shè)計周期和生產(chǎn)工藝允許，應(yīng)當(dāng)在軸套上布置相應(yīng)的潤滑油道來改善擺動軸承的工作條件；采用可隨旋翼振動而緩慢移動的保持架以增加滾子和軸圈的壽命，提升擺動軸承的承載能力；使用更優(yōu)化的軸承布局形式，使每個軸承都可以在保證使用強(qiáng)度和壽命的前提下，充分承擔(dān)力和力矩。

4 驗證試驗

保持軸向鉸主要結(jié)構(gòu)不變，將推力軸承由81109更改為81209，按理論值能力預(yù)計可提升66.7%的承載能力，而由于槳葉自重及轉(zhuǎn)速增加而增大的離心力增幅為45%，可以初步判定圓柱滾子推力軸承滿足使用需求。

軸向鉸安裝新軸承后，進(jìn)行實(shí)際的風(fēng)洞試驗驗證后軸承未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行對模型槳轂軸向鉸的改進(jìn)優(yōu)化研究。

表1 推力圓柱滾子軸承性能對比

5 結(jié)語

該文針對模型槳轂軸向鉸推力軸承在使用過程中出現(xiàn)的軸圈斷裂問題，進(jìn)行了故障定位，通過分析其失效機(jī)理，提出了四個方面的改進(jìn)建議，結(jié)合實(shí)際任務(wù)需求，確定了最終改進(jìn)方案并進(jìn)行了試驗驗證。該文研究系統(tǒng)地梳理了金屬軸向鉸推力軸承的失效機(jī)理和改進(jìn)方案，對后續(xù)進(jìn)行金屬軸承鉸的設(shè)計有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。