國外航空自潤滑關(guān)節(jié)軸承標(biāo)準(zhǔn)分析

楊 昆 林 晶

（1.中航重機(jī)股份有限公司，北京 100022；2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自潤滑，免維護(hù)等特點(diǎn)目前在我國航空型號(hào)中的應(yīng)用越來越廣泛。其組成及常見的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。根據(jù)工作頻率的高低，自潤滑關(guān)節(jié)軸承又分為低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承和高速輕載自潤滑關(guān)節(jié)軸承。其中高速輕載自潤滑關(guān)節(jié)軸承一般只在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中使用，而低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)用范圍相對(duì)較廣。

圖1 自潤滑關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)圖

由于我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，與國外相比在技術(shù)上還存在著一定的差距，在標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)方面也有很大的差距，目前為止還沒有形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，尤其是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方面，還沒有形成國內(nèi)的航空自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過對(duì)目前國外主要的航空低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行分析，為編制我國的航空低速自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)提供一定的借鑒。

1 標(biāo)準(zhǔn)體系分析

國外的航空低速自潤滑關(guān)節(jié)軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)比較完善，尤其以美國SAE的標(biāo)準(zhǔn)體系比較健全，圖2所示，包括了產(chǎn)品規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等。其主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 SAE自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)細(xì)目

從SAE的標(biāo)準(zhǔn)體系分析可以看出，目前美國的航空低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承主要包含一般產(chǎn)品系列，即AS14101～AS14104系列，這類產(chǎn)品為常用的航空低速自潤滑關(guān)節(jié)軸承，分為寬系列和窄系列，其中又分外圈倒角和外圈帶擠壓溝槽的2種結(jié)構(gòu)形式。另一大類為AS81820/1～AS81820/4系列，這類產(chǎn)品與AS14101系列產(chǎn)品的主要區(qū)別在于其內(nèi)球孔上也粘結(jié)了自潤滑襯墊，其它的結(jié)構(gòu)形式基本一致，也分為寬、窄系列和外圈倒角和帶擠壓溝槽的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 SAE自潤滑關(guān)節(jié)軸承標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

歐洲的航空低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系也相對(duì)較為完善，包括了產(chǎn)品規(guī)范和系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等，如圖3所示。其主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 EN自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)細(xì)目

圖3 EN自潤滑關(guān)節(jié)軸承標(biāo)準(zhǔn)體系框圖

EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，主要包括了一般產(chǎn)品系列、減少啟動(dòng)力矩系列和英制系列。一般產(chǎn)品系列包括EN2584、EN2585和EN3048，這一系列軸承中按照結(jié)構(gòu)的不同分為寬系列和窄系列以及輕系列，這些結(jié)構(gòu)系列的設(shè)置主要為滿足不同的使用需求，在同樣的內(nèi)徑時(shí)，寬系列的結(jié)構(gòu)尺寸最大，承載能力也相對(duì)較大，窄系列的相對(duì)較小，輕系列的最小，在這些結(jié)構(gòu)形式中還可分為外圈倒角和帶擠壓溝槽的結(jié)構(gòu)形式。減少啟動(dòng)力矩系包括EN4037～EN4040系列產(chǎn)品，這一系列產(chǎn)品中，與EN2584系列的主要區(qū)別為其旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩降低，同時(shí)增加了內(nèi)圈加寬的系列軸承EN4040。英制系列的包括EN4613、EN4614和EN6096，EN4613～4614與公制的EN2584～2585相對(duì)應(yīng)，EN6096為內(nèi)圈加寬的產(chǎn)品系列。

從標(biāo)準(zhǔn)組成看，SAE和EN的產(chǎn)品組成各有特點(diǎn)。其中SAE中包含了一類內(nèi)圈帶自潤滑襯墊的產(chǎn)品，而EN中沒有。但EN產(chǎn)品類別較多，除了一般系列外，還包括了減少啟動(dòng)力矩系列，而且有輕系列的產(chǎn)品以及內(nèi)圈加寬系列的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在SAE中沒有包括。

2 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析

目前國內(nèi)外較常使用的航空低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品為AS14101～AS14104系列，EN2584～EN2585以及EN4037～EN4039系列的產(chǎn)品，下面針對(duì)這些常用的產(chǎn)品系列，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)的主要的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析。

2.1 尺寸系列

從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，SAE系列產(chǎn)品的產(chǎn)品規(guī)格包含內(nèi)徑為0.19 in到1 in共11個(gè)規(guī)格，相當(dāng)于公制的內(nèi)徑5 mm～25 mm，EN的產(chǎn)品系列中包含5 mm～50 mm共14個(gè)規(guī)格。從產(chǎn)品規(guī)格看，EN標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品系列多，尺寸范圍廣，最大可到50 mm。

2.2 材料

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中材料及硬度的要求見表3。

從對(duì)比可以看出，SAE和EN對(duì)于材料和硬度的要求基本一致。SAE中內(nèi)球材料增加了PH13-8Mo,這種材料的抗沖擊性能較好，可以在一些承受沖擊載荷的部位選用。

表3 材料及硬度要求

2.3 粗糙度

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中粗糙度的相關(guān)要求見表4。

表4 粗糙度要求

從對(duì)比可以看出，SAE和EN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承的表面粗糙度的要求基本一致。其中內(nèi)球外表面是摩擦副表面，因此粗糙度要求較高。內(nèi)球孔、內(nèi)球側(cè)面以及外圈外表面屬于安裝配合表面，因此也有較高的要求。

2.4 表面處理

SAE和EN產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中表面處理的相關(guān)要求見表5。

表5 表面處理要求

自潤滑關(guān)節(jié)軸承外圈的表面處理主要是針對(duì)軸承有防腐蝕性能要求時(shí)，內(nèi)球的表面處理除了考慮防腐蝕性能要求外，還需要考慮其摩擦學(xué)性能，因?yàn)閮?nèi)球是摩擦副的一部分。

從對(duì)比中可以看出，SAE和EN標(biāo)準(zhǔn)在軸承的表面處理方法存在著一定的差異。在外圈的表面處理方面，SAE規(guī)定了鍍鉻和鍍鋅鎳，其中鍍鎘有耐腐蝕性好、氫脆性小、潤滑性好、附著力強(qiáng)等特點(diǎn)，但由于鎘屬于重金屬，對(duì)環(huán)境有污染，因此在一些國家禁止使用。鍍鋅鎳在防腐蝕等方面的性能與鍍鎘的性能相近，同時(shí)環(huán)境污染較小，因此可以替代鍍鎘。EN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定有要求時(shí)進(jìn)行鍍鉻處理。鍍鉻的工藝較為成熟，是一種常用的表面處理方法，其鍍層硬度高，耐磨性好，同時(shí)也有一定的耐腐蝕性能。

內(nèi)球的表面處理中，考慮到耐腐蝕和摩擦學(xué)性能的要求，SAE規(guī)定了表面鈍化和鍍鉻，表面鈍化是不銹鋼常用的一種表面處理方法，具有一定的耐腐蝕性能。鍍鉻對(duì)摩擦磨損性能也有一定的改善。EN標(biāo)準(zhǔn)中，內(nèi)球的表面處理只規(guī)定了鍍鉻。

2.5 徑向靜態(tài)承載能力

自潤滑關(guān)節(jié)軸承的靜態(tài)承載能力是其關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，包括徑向和軸向極限載荷要求。軸承一般按照單位面積上的承載能力來設(shè)計(jì)的，承載面積為徑向的投影面積。

單位面積的徑向靜載荷的計(jì)算如式（1）所示，

式中：

Pr——單位面積的徑向靜載荷，MPa；

Cr——額定徑向靜載荷，N；

D——內(nèi)球的直徑，mm；

h——最小襯墊厚度，即外圈寬度減去襯墊縮進(jìn)的距離，mm。

按照式（1）計(jì)算了幾個(gè)系列軸承的單位面積徑向靜載荷，結(jié)果如圖4所示。

圖4 單位面積徑向靜載荷對(duì)比

從圖4中可以看出，SAE和EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，軸承的單位徑向載荷水平基本一致。尤其是規(guī)格8 mm以上的產(chǎn)品，非常接近，都在450 MPa左右。AS14102的0.19 in和0.25 in 2個(gè)小規(guī)格的軸承載荷水平相對(duì)較低，只有268MPa。

2.6 軸向靜態(tài)承載能力

按照上述的方法分析了單位面積的軸向載荷，單位面積的軸向靜載荷的計(jì)算如式（2）所示：

式中：

Pa——單位面積的軸向靜載荷，MPa；

Ca——額定軸向靜載荷，N；

h——最小襯墊厚度，mm。

各系列軸承的單位面積軸向靜載荷如圖5所示。

圖5 單位面積軸向靜載荷對(duì)比

從圖5中可以看出，SAE和EN的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，軸承單位面積軸向載荷水平基本一致。都在200 MPa左右。AS14101的0.19 in小規(guī)格的軸承載荷水平相對(duì)較低，只有50 MPa。

2.7 徑向動(dòng)態(tài)承載能力

單位面積的徑向動(dòng)載荷計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：

Pd——單位面積的徑向動(dòng)載荷，MPa；

Cd——額定徑向靜載荷，N；

D——內(nèi)球的直徑，mm；

h——最小襯墊厚度，mm。

各系列軸承的單位面積徑向動(dòng)載荷如圖6所示。

圖6 單位面積徑向動(dòng)載荷

從圖6中可以看出，SAE和EN產(chǎn)品的單位面積徑向動(dòng)載荷水平基本一致。在規(guī)格8 mm～22 mm時(shí)，載荷水平較高，在270 MPa左右，25 mm～50 mm時(shí)的動(dòng)載荷水平在230 MPa左右，有所降低。AS14101的規(guī)格為0.19 in的軸承載荷水平較低，只有160 MPa。由于額定動(dòng)載荷是自潤滑關(guān)節(jié)軸承的重要技術(shù)指標(biāo)，是軸承研制和使用中主要關(guān)注的參數(shù)之一。從SAE和EN產(chǎn)品的分析結(jié)果可以看出，兩者在技術(shù)水平上基本一致。

2.8 無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩

無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩是自潤滑關(guān)節(jié)軸承的一項(xiàng)重要參數(shù)，用于評(píng)價(jià)軸承的靈活性，表6和表7為SAE和EN主要系列軸承的無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩。

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，SAE和EN產(chǎn)品在無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩方面的要求存在著一定的差異。SAE的產(chǎn)品系列與EN2584的產(chǎn)品系列相近規(guī)格軸承的無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩要求相近，力矩的上限要求基本一致，但下限要求SAE相對(duì)較小，因此其力矩的范圍要求相對(duì)較寬。EN中的減少啟動(dòng)力矩系列的無載啟動(dòng)力矩比較小，其力矩的上下限要求都明顯小于一般產(chǎn)品的要求。

表6 SAE標(biāo)準(zhǔn)無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩要求

表7 EN標(biāo)準(zhǔn)無載旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩要求

3 結(jié)論

通過對(duì)SAE和EN 航空低速重載自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的分析可以看出，兩者的技術(shù)體系和 產(chǎn)品的技術(shù)水平基本一致。EN的產(chǎn)品規(guī)格相對(duì)較多，涵蓋了內(nèi)徑5mm～50mm的系列產(chǎn)品。且具有一般啟動(dòng)力矩和低啟動(dòng)力矩2個(gè)系列的產(chǎn)品，更好地滿足了使用的需求。從對(duì)軸承的承載能力水平的分析可以看出，SAE和EN 自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品的技術(shù)水平一致，沒有很大的差別。

通過對(duì)國外自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的分析，對(duì)于開展我國航空自潤滑關(guān)節(jié)軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的編制，確定產(chǎn)品的尺寸結(jié)構(gòu)、材料、熱表處理、機(jī)械性能等關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)具有重要的參考價(jià)值。